근접장 마이크로파 현미경 기술의 개발 및 응용 : The Study of development and application on Near-Field Scanning Microwave Microscope
- 발행기관 서강대학교 대학원
- 지도교수 이기진
- 발행년도 2008
- 학위수여년월 2008. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 물리
- 식별자(기타) 000000107519
- 본문언어 한국어
목차
시료의 표면구조 및 물리적 특성에 관한 분석을 위하여 유전체 공진기를 이용한 비접촉 비파괴적 방식의 근접장 마이크로파 현미경(near-field scanning microwave microscope)을 제작하고 시료의 상태 및 측정환경조건에 따라 개발 및 응용하였다.
근접장 마이크로파 현미경 기술은 새로운 형태의 강성힘(shear force) 측정방법으로서 튜닝폭 피드백 시스템 (tuning fork feedback system)을 이용하였다. 이 시스템은 AC 전원이 연결된 튜닝폭을 시료 표면에 접근시킬수록 탐침과 시료 사이에 발생하는 강성힘에 의해 튜닝폭의 위상진동이 점차 감소한다는 사실에 근거를 두고 있다. 또한 수 나노미터의 매우 뛰어난 튜닝폭의 진동진폭 검지율을 가지며 오랜 시간 동안 안정적으로 강성힘의 측정이 가능하다. 이것은 탐침과 시료 사이의 일정거리를 유지하므로 측정과정 동안 탐침과 시료 표면의 손상 없이 비접촉 비파괴적으로 시료의 표면구조 연구가 가능하다.
감도가 뛰어난 유전체 공진기를 이용하여 3.5-5.5 영역에서 공진주파수의 튜닝을 가능케 했고 여기에 튜닝폭 거리조절 장치를 결합시켜 시료의 물성 및 표면구조 연구가 동시에 이루어지도록 하였다.
수중측정을 위해 물의 점성(viscosity)으로 인한 탐침의 영향에 대해 알아보고 이를 보정하기 위한 방법에 대해 연구하였다. 또한 측정과정에서 발생할 수 있는 증발 현상과 그 영향을 최소화 시키기 위한 방법에 대해 연구하였다. 금속 및 DNA 박막 시료에 대해 공기 및 물속에서 표면구조 이미지와 전자기적 특성 이미지를 측정하고 비교하였다. 이때 수중에서도 공기 중에 상응하는 표면구조 이미지를 확인하였다.
액체시료의 농도 검출 연구를 위해 NaCl 용액의 농도, 온도 그리고 부피변화에 따른 전기적 특성을 마이크로파 반사계수( )로 측정하였다. 이때, NaCl과 glucose의 혼합용액에서 각각의 농도 변화에 따른 전기적 특성을 측정하여 근접장 마이크로파 현미경의 선별 특성을 알아보았다. 또한 과일의 종류에 따른 당도변화 측정에도 근접장 마이크로파 현미경 기술을 응용하였다.
유기물인 펜타센(Pentacene)/금속(Al, Au) 박막에 대해 경계 면에서의 space charge에 의한 전기적 특성 변화에 대해 알아보았다. 이를 통해, Al 및 Au의 금속 박막과 펜타센 박막의 경계면에 유도되는 공간전하에 대해 전기적 특성을 측정하여 박막의 두께와 표면전위의 관계를 확인하였다.
특수한 파장 빛에 반응하여 광순환 특성을 나타내는 나트로노모나스 센서리 로돕신 II(Natronomonas pharaonis Sensory Rhodopsin II: NpSRII)에 대해 전기적 특성을 측정하였다. NpSRII 막 단백질에 대해 가시광선영역에서 빛의 파장에 따른 반응 특성을 흡수 스펙트럼과 마이크로파 반사계수( )로 측정하고 비교하였다. 흡수 스펙트럼 결과, 450 -550 영역에서 흡수가 발생했으며 498 에서 흡수가 최고치를 나타냈다. 이를 통해, 로돕신과 같이 빛에 반응특성을 보이는 시료에 대해 근접장 마이크로파 현미경의 응용 연구에 대한 가능성을 확인하였다.
목차
To analyze a topographical and physical characteristic for samples, I have developed and applied the near-field scanning microwave microscope (NSMM) techniques to conditions of samples and experimental environments for measurement. NSMM techniques with high sensitivity by a high quality dielectric resonator have been developed for the microwave- and millimeter-wave ranges. Moreover, NSMM techniques can directly evaluate the some physical properties of samples, such as a dielectric constant, conductivity and permeability with high sensitivity.
An important ability of the NSMM is nondestructive and contactless characterization for samples. This is possible because NSMM techniques use a tuning fork shear-force feedback method to control the distance between tip and sample. In this thesis, I have achieved following studies for topographical characteristic and physical properties of samples using NSMM techniques with high quality dielectric resonator and distance control system at an operating frequency f = 3.5-5.5 GHz.
First, to demonstrate the ability of the distance regulation system, I have presented the NSMM images of a copper film in the air and liquid with or without readjusting the distance set point of current amplitude and DNA film image in buffer solution.
Second, to monitor the NaCl concentration using a NSMM technique, I have investigated the changes of NaCl concentration due to a change of permittivity of the NaCl solution by measuring the microwave reflection coefficient ( ) of the resonator. And besides, I have measured a mixture solution of NaCl and glucose to determine the probe selectivity.
Third, to investigate the electrical properties at the interface of pentacene thin films on gold (Au) or aluminum (Al) electrodes, I have investigated the electrical property changes of pentacene thin films due to a space charge generation by measuring the changes of reflection coefficient ( ) using a NSMM technique
Fourth, I have investigated the electro-optical properties of NpSRII using a NSMM instead of existing physical methods to the rhodopsin filed such as UV/VIS spectroscopy, FTIR spectroscopy, or Raman spectroscopy and compared with the absorption spectrum of photo-cycle of NpSRII in the process of the electro-optic variations.
