Chiral Atomically Thin Films

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Atomically Thin Circuitry with Structural Programming at Molecular-scale

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밴드 제어된 Si1-xGex 고용체 나노 와이어의 국소 광전 특성

DoctorPhotonic circuits can be faster with larger bandwidth than electronic circuits. Therefore, applying optical technology to the computing industry will transform the way computer work much and bring a breakthrough in the microelectronics industry. From this point of view, Si optoelectronics have attracted much interest, mainly because the industrial model in microelectronic is well standardized in terms of materials, processing and device integration. However their application in photonic circuit is still limited in extent owing to the nature of inefficient light-emittingnon-radiative recombination of electron-hole pairs mainly occurs across its indirect energy-band gap. Nevertheless it has been suggested that one promising strategy to enhance luminescence efficiency from Si is to increase the overlap of the electron and hole wavefunctions by spatially confining electron-hole pairs at the nanometer scale. Indeed photon emission and also photon detection in semiconductor nanocrystals, such as colloidal quantum dots and nanowires, are often modified to produce substantially high efficiency and responsivity with its spectral modulations due to their unique geometries at the nanometer scale. Thereby, the bottom-up nanowire can serve as a model platform to investigate the integrated photonic and electronic processes in a strong light-matter coupling regime, since the low-dimensional potential variations can be easily built within individual nanowires during the syntheses. In particular, Si1-xGex alloy nanowires provide challenging opportunities for the broadband Si photonics, because they offer not only novel properties arising from their low feature size and dimensionality, but also a continuously variable system with a wide range of crystal lattices and energy-band gaps. However despite of their promising role in future optoelectronics, yet the Si1-xGex alloy nanowires are rarely studied by systematic manners because controllable syntheses of Si1-xGex alloy nanowires are not readily available. Beside device fabrication for their optoelectrical characterization require many complicate optimization process. Here, in this thesis I will describe the overall study on Si1-xGex alloy nanowires from their syntheses and structural characterization to device fabrication and optoelectrical characterization. In the first section, the syntheses of single crystalline Si1-xGex alloy nanowires by the Au catalyst-assisted chemical vapor deposition using SiH4 and GeH4, gas precursors will be introduced. As the decomposition kinetics of GeH4 gas precursors is much faster than that of SiH4 at given thermodynamic condition, it is hard to synthesize nanowires with preventing the homogeneous decomposition (radial growth) over catalytic decomposition (axial growth) which manifests itself as the tapered shape. However by reproducible controlling manner of the kinetics of decomposition, Si1-xGex alloy nanowires were achieved in the whole composition range. Structural characterization by using TEM, XRD, micro Raman spectroscopy, I confirmed that the synthesized Si1-xGex nanowires have a single crystallinity and form a homogenous alloy in whole composition range (0 ≤ x ≤ 1). In addition, within the framework of catalytic chemical-vapor I also achieved well defined nanowire arrays for their sizes, positions and directions. It can be achievable by controlled nanowire growth from the ordered catalyst arrays with the deterministic one-to-one relation in size, position and direction by epitaxial manner. It is able to be employed in not only the integrated microelectronics but also massive applications such as photovoltaic device and battery anode which require a predictable uniformity of nanowires at large area. Phenomenological observations and scientific explanation in epitaxial growth of group IV semiconductor nanowire are included.Followed section, I discuss the electronic transport properties of nanowires for functional nanoelectronic and nanophotonic devices. I fabricated nanowire field-effect transistors incorporating single-crystalline Si1-xGex alloy nanowires as semiconductor channels. Complementary in-situ doping of Si1-xGex nanowires were achieved by PH3 and B2H6 incorporation during the chemical vapor synthesis for n- and p-type field-effect transistors. Based on the measurement, principal properties of devices such as conductivity, mobility and carrier concentration in the Si1-xGex nanowire channel are estimated. In particular, how specific parameters, i.e. contact materials, doping ratio, affect the device properties will be presented.In chapter 4, Semiconductor p-n diodes are one of the basic circuit elements in various electronic, photonic, and photovoltaic devices, such as field-effect/bipolar junction transistors, photodiodes, and solar cells. Based on the controlled growth of Si nanowire arrays by the epitaxial manner, I have synthesized intra-nanowire p-n diode arrays at large scales. I provide direct evidence of the intra-nanowire p-n junctions by combining spatially resolved electrostatic force microscopy, scanning photocurrent measurement, and transport data. The enhanced photocurrent observed at p-n junction region suggests its presence as a sensitive nanowire photodiode.After all, I report the photocarrier transport in the Si1-xGex nanowire channel device in chapter 5, 6, which is the main issue in this thesis. Especially I directly observed the local photodetection characteristics by scanning photocurrent measurements with sub micrometer resolution. I report unipolar photo carrier transports in Ge nanowire photoconductor. In particular, high responsivity based on the temporal charge separation with presence of highly populated surface and interface states will be discussed.Then, I demonstrated an on-nanowire energy-band graded photodetection within an axially graded Si1-xGex (0 ≤ x ≤ 1) nanowires which are for the heteroepitaxial integration of the broadband Si nanophotonic components. I demonstrated that the spectral on-set of interband photocarrier generation and its photocurrent amplitude is on-nanowire demultiflexed with respect to the relative Si:Ge composition in an individually addressable manner. I attribute the observations to the photocarrier density modulation arising from both the continuously varying energy band-gap and surface trap-state density in the range. My research suggest general implications of Si1-xGex (0 ≤ x ≤ 1) nanowire photodetectors, thereby it provide a new insight into broadband Si photonics.빛을 신호 전달 매개로 하는 포토닉스 회로는 전자 회로에 비해 신호 전송 속도가 매우 빠르며 넓은 신호 대역폭을 지니고 있다. 이에 현재의 전자 송수신 기법을 포토닉스 기술로 대체하려는 노력이 활발히 진행되고 있다. 특히 현 마이크로 전자 소자 산업의 근간이 되는 재료인 실리콘을 기반으로 하는 실리콘 포토닉스는 실리콘이 가지는 상대적으로 낮은 가격 및 잘 정립된 기술적 이점으로 인해 주목을 받고 있다. 하지만 실리콘의 비간접 천이 에너지 갭으로 인한 낮은 발광 효율은 실리콘 단일 집적 포토닉스 소자의 부재와 같은 기술적 한계를 야기한다. 최근에는 나노 미터 크기의 미세 결정 구조에서 전자와 정공의 간섭이 증가해 발광 효율이 증대될 수 있음이 알려진 이후 미세 결정 구조에서의 광전기적 특성 연구가 더욱 활발해 지고 있다. 실제 양자점, 나노 와이어와 같은 반도체 나노 구조물에서는 미세 크기 효과에 의하여 광검출 및 발광 효율이 증가될 뿐만 아니라 에너지 대역 조절 또한 가능함이 발표되어 왔다. 그 중 일차원 구조의 나노 와이어는 합성 과정에서 손쉽게 저차원 결정 내에서의 조성이나 도핑 농도의 조절이 가능하여 전기적 요소와 광학적 요소가 결합된 나노 포토닉스 집적 소자 구현을 위한 좋은 예시가 될 수 있다. 특히 Si1-xGex 나노 와이어의 경우 미세 직경에 따른 특이 광전 현상을 응용할 수 있을 뿐 아니라 조성 변화에 따른 넓은 대역의 에너지 밴드 조절이 가능하여 광대역 실리콘 포토닉스 재료로서의 활용이 기대된다. 이에 본 논문에서는 Si1-xGex 화합물 나노 와이어의 합성 및 구조적 분석에서부터 소자 제작과 전기적 및 광전기적 특성 관찰에 이르는 연구 결과를 다룬다. 첫 장에서는 금 촉매를 이용한 화학 기상 증착법으로 Si1-xGex 화합물 나노 와이어를 합성하는 방법이 소개된다. SiH4, GeH4 전구체의 서로 다른 분해 동역학을 고려하여 열역학 조건을 조절해 줌으로써 Si1-xGex 나노 와이어을 합성하였고, 투과 전자 현미경, XRD, 마이크로 라만 등을 통하여 균일한 조성의 단결정 나노 와이어가 전 조성 대역 (0 ≤ x ≤ 1)에서 합성되었음을 확인하였다. 더불어 고진공 화학 기상 증착기를 도입, 단결정 기판으로부터의 에피탁시 성장을 통해 정렬된 방향성을 지니는 나노 와이어를 성장하였고, 에피탁시 성장시 관찰되는 현상에 대한 과학적 분석을 수행하였다. 특이 본 방법에서는 나노 와이어의 구조 파악이 용이하여 복합 구조 나노 와이어의 제작에 추후 용이하게 활용될 수 있었다. 합성된 나노 와이어를 이용한 전자 소자 및 광전 소자 개발을 위해서는 도핑을 통한 전기적 특성 제어가 필수적이다. 이에 기초 연구로서 Si1-xGex 나노 와이어의 합성시 B2H6 및 PH3 도핑 가스로 in-situ로 도핑을 해주고 이를 채널로 하는 n 타입 및 p 타입 전계 효과 트랜지스터를 구현한 실험을 최초로 진행하였다. 그리고 제작된 소자의 전기적 측정을 통해 전기 전도도, 전기 이동도 및 전하 농도 등을 계산하였고, 전극 물질 및 도핑 농도가 소자 특성에 미치는 영향을 알아보았다. 4장에서는 앞선 기술을 기반으로 전자 소자 및 광전 소자의 기본 구조인 Si 나노 와이어 p-n 다이오드를 제작하였고 국소적 분해능을 지니는 EFM, 국소 광전류 측정 등을 통해 p-n 접합의 존재 유무를 확인하였다. 특히 p-n 접합에서의 강한 광검출 효율을 관찰하여 광검출기의 기본 구조 중 하나인 포토 다이오드로서 나노 와이어가 가지는 가능성을 엿보았다. 마지막 5장 및 6장에서는 논문의 주된 주제인 Si1-xGex 나노 와이어 채널 소자에서의 광여기된 전하의 구동 현상 연구를 마이크로 미터 이하의 분해능을 지니는 국소 광전류 측정을 통해 수행하였다. 먼저 5장에서는 Ge 나노 와이어 소자에서 관찰되는 직경에 따른 광검출 효율을 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 높은 밀도의 나노 와이어 표면 states에 의해 광여기된 전자 전공 쌍의 공간적 분리가 일어나고 높은 광검출 효율이 관찰됨을 확인하였다. 6장에서는 후속 연구로 나노 와이어 길이 방향으로 조성이 변화하는 복합 구조 Si1-xGex 나노 와이어 소자를 제작하여 각 국소 부위별로 상대적 조성에 따라 변화하는 광전기적 특성을 비교 분석하였다. 이는 Si1-xGex의 상대적 조성이 연속적으로 변화함에 따라 표면 states 밀도와 에너지 밴드 갭 천이에 의한 빛의 흡광율이 달라지고 이로 인해 광여기된 전하의 밀도가 차이를 보이기 때문임을 알 수 있었다. 결론적으로 본 연구는 Si1-xGex 나노 와이어 광검출 소자의 일반적인 특성을 관찰하였고 이는 실리콘 기반의 광대역 포토닉스 소자 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대된다

Analysis of zephyr compiler infrastructure through implementation of 8051 compiler and comparison with GNU C

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 전산학전공, 2003.2, [ viii, 55 p. ]한국과학기술원 : 전산학전공

Engineering Grain Boundaries in Two‐Dimensional Electronic Materials

Engineering the boundary structures in 2D materials provides an unprecedented opportunity to program the physical properties of the materials with extensive tunability and realize innovative devices with advanced functionalities. However, structural engineering technology is still in its infancy, and creating artificial boundary structures with high reproducibility remains difficult. In this review, various emergent properties of 2D materials with different grain boundaries, and the current techniques to control the structures, are introduced. The remaining challenges for scalable and reproducible structure control and the outlook on the future directions of the related techniques are also discussed.11Nsciescopu

명료한 동기화와 명확한 오류 검출을 위한 Esterel의 정적분석 기반구조

학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전산학과, 2010.2, [ ix, 94 p. ]Esterel is an imperative synchronous language with the perfect synchrony hypothesis which divides time into a sequence of logical time units. Esterel is well-adapted to develop control-dominant reactive systems. It is because imperative features of Esterel on the synchrony hypothesis help to control synchronization and preemption among threads that are executed simultaneously. However, it is hard to compute exact synchronization process and interferences among threads from Esterel programs, and this makes it difficult to analyze or diagnose the programs. In this thesis, we propose a new control flow graph (CFG) and a new logical semantics of Esterel that focus on exposing the synchronization process and implicit interferences among threads. First, we present an over-approximated CFG of an Esterel program. Simple and convenient CFGs can help to analyze Esterel programs or to detect errors from the programs. Regardless of imperative features of Esterel, combination of parallel execution and preemption causes implicit interferences between threads, and they make it difficult to build CFGs of Esterel programs. Previous researches are not suitable for CFG-based static analyses of Esterel, because they focus on compilation or simulation of Esterel programs. We develop a new method to construct over-approximate CFGs of Esterel programs that expose invisible interferences among threads and show program structures explicitly. The over-approximated CFGs represent all possible execution paths at run-time though they may contain some unreachable paths. Therefore, our CFGs are useful for a program analysis or diagnosis based on graph theory or control-/data- flows. Second, we present a new logical semantics of Esterel. Explicit synchronization control with imperative features is an important characteristic of Esterel. Esterel has some versions of logical semantics that provide simple and good formalisms for formal verification. However, the entire synchronization proces...한국과학기술원 : 전산학과

Grain Boundary Roughening and Thereby Control of Grain Growth Behavior in Na-Assisted Grown MoS2

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