하향식/상향식 접근방법을 통한 그래핀 양자점의 제조 및 광전자 응용

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 화학생물공학부(에너지환경 화학융합기술전공), 2014. 8. 장정식.지난 수년 동안 집중적인 연구적 관심을 불러 일으키고 있는 그래핀양자점은 측면지름이 약 100 nm 이하이고, 단일-, 이중-, 몇 층의(3 내지 10 개의) 층으로 이루어진 그래핀 시트이다. 그래핀양자점의 높은 표면적, 큰 지름, 유리한 표면결합 이나 표면그룹과 같은 고유특성 뿐만 아니라, 우수한 형광 특성 및 업컨벌젼 형광특성을 바탕으로 광전자공학, 형광센서, 바이오 응용, 촉매반응, 에너지 저장 및 변환 등의 다양한 분야에 적용되고 있다. 본 연구에서는 하향식/상향식 접근방법을 이용하여 크기와 형광특성이 조절된 그래핀양자점을 제조하였으며, 이들의 형성 메커니즘을 체계적으로 고찰하였고, 아울러 광전변환소자, 형광 센서, 바이오 이미징으로의 응용에 대해 살펴보았다. 하향식 접근방법으로, 그래핀양자점은 탄소나노물질의 산화방법과 크기선택적 분리방법을 이용해 제조할 수 있었다. 흥미롭게도, 그래핀양자점의 지름과 형광파장은 시작물질의 형태 디자인과 산화조건의 최적화를 통하여 조절할 수 있었다. 뿐만 아니라, 그래핀 양자점의 균일한 발광특성을 활용하기 위해서, 크기선택적 침전방법을 이용한 분리방법을 제한하였다. 그래핀 양자점을 크기선택적 침전방법을 통해서 추가적인 투석방법 없이 성공적으로 균일한 크기의 그래핀 양자점을 얻을 수 있었다. 상향식 접근방법으로, 여러 도핑물질과 함께 유기전구체의 탄화공정을 이용하여 헤테로원자가 도핑된 그래핀양자점을 제조할 수 있었다. 황산의 촉매조건에서 시트르산은 탈수공정을 통하여 흑연의 정육면체 구조를 형성하며 그래핀 양자점으로 변하였다. 또한 황산과 디메틸포름아미드가 각각 황과 질산 도핑 물질로서 사용되어, 탄화정도가 조절되고, 그람 스케일의, 그리고 높은 형광양자효율(약 61%)을 가진 황과 질소가 도핑된 그래핀양자점을 제조하였다. 본 연구에서 새롭게 개발한 하향식/상향식 접근방법은 제어된 크기 및 모양을 지닌 다양한 종류의 그래핀양자점 제조에 적용될 수 있으며, 이를 통해 전자/광전자 장치, 형광프로브, 바이오이미징, 에너지변환장치를 포함한 여러가지 응용분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.1. INTRODUCTION 28 1.1. Background 28 1.1.1. Graphene quantum dots 28 1.1.2. Synthesis of graphene quantum dots 30 1.1.2.1. Acidic oxidation 31 1.1.2.2. Hydrothermal and solvothermal method 35 1.1.2.3. Microwave- and sonication-assisted method 36 1.1.2.4. Electrochemical method 37 1.1.2.5. Bottom-up approach 40 1.1.3. Application fields 43 1.1.3.1. Bioimaging 43 1.1.3.2. Photoluminescence sensors 45 1.1.3.3. Catalyst for the oxygen reduction reaction 45 1.1.3.4. Organic photovoltaic devices 48 1.2. Objectives and Outlines 51 1.2.1. Objectives 51 1.2.2. Outlines 51 2. EXPERIMENTAL DETAILS 56 2.1. Top-down Approach for Fabricating Uniform Graphene Qauntum Dots with Sizes 56 2.1.1. Chemical oxidation of various types of carbon materials 56 2.1.2. Separation of graphene quantum dots via size-selective precipitation approach 56 2.2. Bottom-up Approach for Fabricating Graphene Quantum Dots based on Carbonization and Heteroatom Doping 57 2.2.1. Carbonization of citric acid 57 2.2.2. Controllable S, N-doping of graphene quantum dot 58 2.3. Applications 59 2.3.1. FRET-based dye-sensitized solar cells for near-infrared light harvesting 59 2.3.2. Graphene quantum dot-based fluorescent sensor for rapid and ultrasensitive detection of an anthrax biomarker 60 2.3.3. Photoinduced electron transfer based sensor probes for intracellular hydrogen peroxide 61 3. RESULTS AND DISCUSSION 65 3.1. Top-down Approach for Fabricating Uniform Graphene Qauntum Dots with Sizes 65 3.1.1. Chemical oxidation of various types of carbon materials 68 3.1.2. Separation of graphene quantum dots via size-selective precipitation approach 81 3.2. Bottom-up Approach for Fabricating Graphene Quantum Dots based on Carbonization and Heteroatom Doping 91 3.2.1. Carbonization of citric acid 93 3.2.2. Controllable S, N-doping of graphene quantum dot 93 3.3. Applications 110 3.3.1. FRET-based dye-sensitized solar cells for near-infrared light harvesting 110 3.3.2. Graphene quantum dot-based fluorescent sensor for rapid and ultrasensitive detection of an anthrax biomarker 130 3.3.3. Photoinduced electron transfer based sensor probes for intracellular hydrogen peroxide 145 4. CONCLUSIONS 169 REFERENCES 173 국문초록 185Docto

2차원 격자의 고차 위상 띠 이론

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :자연과학대학 물리·천문학부(물리학전공),2020. 2. 양범정.Bulk-boundary correspondence is the fundamental property of topological phases. In conventional topological insulators, the gapped bulk states in d-dimensions support metallic states in (d-1)-dimensional surfaces. Recently, however, a class of topological crystalline insulators violating the conventional bulk-boundary correspondence has been proposed, and they are nowadays called higher-order topological insulators (HOTIs). In contrast to the conventional topological insulators, the gapless excitations of a HOTI in d-dimensions are localized in a subspace with a dimension lower than (d-1), such as corners or hinges, when the global shape of the material preserves the crystalline symmetry relevant to the nontrivial bulk band topology. In the thesis, we investigate novel properties that can appear in 2D higher-order insulators protected by crystalline symmetries. First, we show that the band topology of graphene with a Kekule texture is a 2D second-order insulator characterized by the 2D Z2 topological invariant w2, which is quantized in systems with inversion symmetry. Also, we propose monolayer graphdiyne (MGD) as the first realistic candidate material for 2D HOTIs protected by inversion symmetry which has same crystalline symmetries as Kekule textured graphene. We show that, despite the absence of chiral symmetry, the higher-order topology of MGD is manifested in the filling anomaly and charge accumulation at two corners. Interestingly, although its low-energy band structure can be properly described by using only pz orbital basis, the higher-order topology itself originates from the core electronic orbitals. We also show that the higher-order topology of MGD is the fundamental origin of the nontrivial band topology of ABC-stacked graphdiyne hosting monopole nodal lines and hinge states. Second, we establish the correspondence between the fractional charge bound to a vortex in textured lattice and the relevant bulk band topology in two-dimensional (2D) HOTIs. The fractional charge localized at a vortex in the Kekule texture is shown to be related to the change in the bulk topological invariant w2 around the vortex, as in the case of the Su-Schriefer-Heeger model in which the fractional charge localized at a domain wall is related to the change in the bulk charge polarization between degenerate ground states. We show that the effective three-dimensional (3D) Hamiltonian, where the angle theta around a vortex in Kekule-textured graphene is a third coordinate, describes a 3D axion insulator with a quantized magnetoelectric polarization. The spectral flow during the adiabatic variation of theta corresponds to the chiral hinge modes of an axion insulator and determines the accumulated charge localized at the vortex. For the cases when magnetoelectric polarization is quantized due to the presence of symmetry that reverses the space-time orientation, we classify all possible topological crystalline insulators whose vortex defect carries a fractional electric charge.벌크-경계 대응성은 위상학적 물질이 가지고 있는 기본 성질이다. 전통적인 위상학적 절연체에서, d 차원의 절연물질은 (d-1)차원 표면에서 금속 상태를 가진다. 하지만 최근에 이러한 벌크-경계 대응성을 깨는 위상학적 결정 절연체의 존재가 소개되었으며 이는 고차 위상 절연체라고 불린다. 전통적인 위상학적 절연체와는 다르게 d차원 고차 위상 절연체는 물질의 전체적인 모양이 벌크 띠 위상과 관련된 결정 대칭을 유지될 때 (d-1)차원 보다 작은 차원의 부분공간인 경첩이나 모서리에 금속 상태가 국한 되어 있다. 이 논문에서, 우리는 결정 대칭에 의해 보호되는 2차원 고차 위상 절연체에 나타날 수 있는 새로운 특성을 조사한다. 먼저, 우리는 케쿨레 그래핀의 띠 위상이 반전 대칭 시스템에서 양자화되는 Z2 위상 불변 w2를 특징으로하는 2차원 고차 위상 절연체임을 보였다. 또한, 케쿨레 그래핀과 동일한 결정 대칭을 갖는 반전 대칭에 의해 보호되는 2차원 고차 위상 절연체에 대한 최초의 현실적인 후보 물질로서 단일 층 그래프다인을 제안한다. 카이랄 대칭의 부재에도 불구하고, 단일 층 그래프다인의 고차 위상은 채움 아노말리로 나타난다. 흥미롭게도, 에너지 전자 성질은 pz 오비탈 기반만을 사용하여 올바르게 설명 할 수 있지만, 고차 위상 자체는 심부 전자 오비탈에서 비롯된다. 우리는 또한 단층 그래프다인의 고차 위상이 홀극 마디선과 힌지 상태를 가지는 ABC 그래프다인 띠 위상의 근원임을 보여준다. 두번째로, 우리는 격자 소용돌이에 구속된 분수 전하와 2차원 고차 위상 절연체의 벌크 띠 위상이 대응됨을 보인다. Su-Schrieffer-Heeger 모델의 구역 벽에 분수 전하가 국한된 것이 전하 분극의 차이에 의해 나타나는 것 처럼 케쿨레 격자의 소용돌이에 국한된 부분 전하는 소용돌이 주위의 벌크 위상 불변 w2의 변화와 관련이있는 것으로 나타난다. 또한 케쿨레 그래핀에서 소용돌이 주위의 각도 theta를 세번째 좌표로 나타냈을 때 만들어진 3차원 해밀토니안은 양자화 된 자기 전기 분극을 갖는 삼차 액시온 절연체을 설명한다. 시공간 방향을 반전시키는 대칭의 존재로 인해 액시온 절연체가 만들어지는 경우에, 우리는 소용돌이가 부분 전하를 갖는 모든 가능한 위상 결정 절연체를 분류한다.Chapter 1 Introduction 1 1.1 Charge fractionalization in SSH model 2 1.1.1 Wilson loop and polarization 4 1.2 Chern Insulator 5 1.3 2D Z2 topological insulator 6 Chapter 2 2D higher-order TI 9 2.1 Inversion symmetric 2D higher-order TI 9 2.2 Kekule graphene 11 2.3 Monolayer graphdiyne 13 2.3.1 Corner Charges and Filling anomaly 15 Chapter 3 Fractional charge bound to a vortex in 2D HOTI 23 3.1 Higher-order band topology of Kekule textured graphene 25 3.2 Spectral flow and topological term 26 3.3 Generalization 28 Chapter 4 Summary 35 Appendix A Nested Wilson loop 39 Appendix B Classification of axion insulators by crystalline symmetries 43 Appendix C Wannier center and quantized fractional charge in topological vortex 55 Bibliography 59 초록 65Maste

빠른 동특성을 갖는 deadbeat 인버터 전압제어 알고리즘

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :전기·컴퓨터공학부,2002.Maste

Downward type deposition source and deposition apparatus having the same

본 발명은, 본체와, 이 본체 내에 구비되고 증착물질을 수용하되 개구된 상부에는 밀폐를 위한 커버가 결합되고 하부에는 다공판으로 된 분사구가 형성된 도가니와, 이 도가니의 중간높이에서 도가니를 둘러싸도록 배치되고서 고주파 유도전류가 인가되는 제1코일 및, 이 제1코일의 아래에서 상기 도가니의 분사구를 둘러싸도록 배치되며 고주파 유도전류가 인가되는 제2코일을 포함하는 하향식 증발원과 이를 구비한 증착장치에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 적어도 하나의 증발원을 증착장치의 챔버의 상부에 배치하여 분자선이 아래로 공급될 수 있도록 하고서 고주파 유도가열을 이용함으로써, 대면적 기판에 형성되는 박막의 균일도를 확보하고 소스의 가열시간을 단축할 수 있어 저비용의 박막제조가 가능하게 되는 효과가 있게 된다.본체와, 이 본체 내에 구비되고 증착물질을 수용하되 개구된 상부에는 밀폐를 위한 커버가 결합되고 하부에는 다공판으로 된 분사구가 형성된 도가니와, 이 도가니의 중간높이에서 도가니를 둘러싸도록 배치되고서 고주파 유도전류가 인가되는 제1코일 및, 이 제1코일의 아래에서 상기 도가니의 분사구를 둘러싸도록 배치되며 고주파 유도전류가 인가되는 제2코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 하향식 증발원