투과전자현미경(TEM)은 재료과학 및 구조생물학에서 핵심 분석 방법으로, 구조 특성화를 위한 고공간·고시간 해상도를 제공하며 원자 및 분자 수준에서 구조-물성 관계와 구조 역학을 규명할 수 있다. EM의 기술적 발전에도 불구하고, 전자빔의 특성으로 인해 EM 영상화는 저선량 응용의 경우에도 재료에 본질적으로 해로운 영향을 미친다. 본 연구는 전자현미경을 위한 자기지도 고처리량 이미지 denoising 신경망인 SHINE(Self-supervised High-throughput Image denoising Neural network for Electron microscopy)을 소개하며, 다양한 재료 시스템에 대한 최소 침습적 저선량 EM을 가속한다. SHINE은 내재적 노이즈를 포함한 단일 원본 이미지 데이터셋만을 사용하므로 크기가 제한된 데이터셋에 적합하며, 값비싼 정답(ground-truth) 학습 데이터셋이 필요 없어진다. 우리는 SHINE이 현재의 고해상도 TEM, in situ 액체상 TEM, 시간-시계열 스캐닝 TEM, 그리고 cryo-TEM에서 정보 한계를 극복함을 정량적으로 입증하였으며, 이를 통해 광범위한 재료에 걸친 명확한 고처리량 구조 분석을 가능하게 한다.

콜로이드성 나노결정은 화학 반응 과정에서 본질적으로 구조적 변화가 일어난다. 나노미터 스케일의 치수에서 기원하는 강고한 구조-물성 관계는 반응성 화학 매질에서 나노결정의 동적 구조 거동을 이해하는 것의 중요성을 강조한다. 또한 원자 구조에 내재된 복잡성과 이질성으로 인해, 3차원(3D) 원자 해상도에서 개별 나노결정의 구조 전이를 추적할 필요가 있다. 본 연구에서는 용액 내 개별 나노결정의 3D 원자 구조가 시간에 따라 어떻게 진화하는지를 규명하기 위해 시간분해 브라운 운동 단층촬영(time-resolved Brownian tomography) 방법을 도입한다. 이 방법론은 산화적 식각(oxidative etching) 동안 Pt 나노결정의 원자 수준 구조 변화를 조사하는 데 적용하였다. 시간분해 3D 원자 맵은 용해되는 Pt 나노결정의 구조 진화를 결정질 구조에서 무정질 구조로 전이되는 양상으로 보여준다. 본 연구는 벌크 열역학에서 상대적으로 덜 주목받아온, 나노미터 길이 스케일에서의 새로운 상(phase)의 출현을 입증한다.

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. 광학적으로 관찰 가능하며 화학적으로 제거할 수 있는 에피택셜 마이크로와이어는 밀리미터 크기의 다결정 그래핀에서 결정학적 입자(grain) 지도를 수행할 수 있게 하며, 또한 반데르발스 이종구조에서 비틀림 각(<∼1°)을 정밀하게 제어할 수 있게 한다. 이러한 실용적 응용 외에도, 본 연구는 무기 결정의 스핀 코팅(spin coating)에서도 2차원 재료가 에피택셜 템플릿(epitaxial templates)으로 활용될 수 있는 잠재력을 보여준다.

제3A의 세 부분에 대한 도형 크기 범위를 정밀하게 계산하고, 제3B에서 자유에너지 준위를 조정하며, 제1원리 계산에서 형상 효과를 고려할 것을 제안하였다. 첫 번째와 두 번째 제안은 우리의 실험을 오해하거나 과도하게 해석할 가능성에 대해 강한 우려를 제기한다. 원래의 계산은 결정성-무질서 변환에 관한 우리의 주장을 뒷받침하기에 충분하다.

본 연구에서는 전자현미경 내부에서 전자빔 조사를 통해 세 가지 서로 다른 표면에서 유도되는 기계적 거동을 조사하였다. 이를 위해 반도체 Si 표면뿐 아니라 절연체(실리콘 나이트라이드)와 도체(Au)도 함께 준비하였다. 전자현미경 내에서의 표면 개질에 의해 유도되는 기계적 거동은 드문 실정이다. 우리는 전자현미경의 전자빔에 의해 구동되되, 외부 전원 공급원 없이 작동하는 마이크로액추에이터를 제작하였다. 그러나 선행 실험들은 Si와 같은 반도체 표면의 동적 거동에만 주로 초점을 맞추었다. 따라서 본 연구는 전자빔과 관련된 상호작용에 대한 향후 연구를 위한 지침을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 에피택셜로 성장된 AuCN 나노와이어와 그 아래에 존재하는 CNT 간의 방향성 정렬을 이용하여 탄소 나노튜브(CNT)의 결정 방향을 손쉽게 식별하는 방법을 제시한다. 우리는 나노와이어의 각도를 측정함으로써 국소 영역에서 다수의 CNT의 키랄 지수(chiral indices)를 분석하고 결정하였다. 실험 연구에서, 이러한 나노와이어가 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)의 결정 방향을 허용 가능한 정확도로 지시할 수 있으며, 간단한 습식 식각(wet-etching) 공정을 통해 쉽게 제거될 수 있음을 확인하였다.

본 연구는 주입된 윤활액(infused lubricant)의 내구성을 향상시킨 방수(방수성) 윤활액 주입 표면(LISs)을 제조하는 방법을 제시한다. 1차 나노다공성 실리콘 나노공 배열에 2차 층으로 구리 산화물 나노구조를 결합한 다층 구조의 표면 특징을 활용하여 제작된 표면은, 더 큰 표면 패턴을 갖는 대조 시료에 비해 물방울이 박리되는 조건에서 윤활액 유지력이 우수함을 보였다. 또한 배수된 영역에서의 수동적 회복이 관찰되어, 표면 설계의 다용성을 입증하였다. 본 연구에서 제시한 제조 방법과 결과는 나노규모 연구 및 제작(nanoscale research and fabrication) 응용을 위한 간소화되고 효과적인 나노스케일 표면 개발의 경로를 제공한다.

윤활제 함침 표면(LISs)은 거친 표면 구조 내부에 갇힌 윤활제 층을 액-액 계면으로 활용함으로써 탁월한 미끄러움과 비젖음(비젖음성) 특성을 제공한다. LISs의 성능은 표면 위에 내구성 있는 윤활제 층을 유지하는 데 달려 있으며, 미세미터 스케일의 공극과 나노미터 스케일의 거친 구조로 이루어진 계층적 표면은 윤활제의 저장 및 분포를 향상시키는 해결책으로 일반적으로 기대되어 왔다. 그러나 기존의 계층적 표면들은 미크로미터 기판 패턴의 치수와 첨가되는 나노구조의 치수 사이에 존재하는 현저한 크기 불일치로 인해, 윤활제 잔류(보유) 성능을 기대한 수준으로 달성하지 못하는 경우가 주로 보고되었다. 본 연구에서는 유입된 윤활제의 잔류 및 재분포를 향상시키기 위해, 유사한 스케일의 준미세미터 저장소(∼300 nm)와 나노미터 크기의 풀잎(grass-like) 모양 구조를 특징으로 하는 정교화된 계층적 나노다공성 표면 설계를 제시한다. 저장소는 양극산화 알루미늄 산화물(AAO)의 자체조립 패턴을 이용해 제작하고, 풀잎 모양 나노구조는 구리의 화학적 산화로 형성하여, 복잡한 나노가공 기술 없이도 용이한 제작 공정을 보여준다. 계층적 표면은 점적 전단 박리(shearing drainage) 조건에서 대조 시편에 비해 윤활제 잔류 성능이 최대 300%까지 향상되며, 추가로 이전에 배수되어 비워진 영역에서 윤활제 층의 수동적 재충전(passive refilling)도 확인된다. 또한 표면 구조의 구조적 건전성과 유입된 윤활제의 안정적인 잔류는 높은 관성력과 반복 실험 하에서 확인된다. 제작된 표면이 보여주는 향상된 윤활제 잔류 성능과 구조적 내구성은, 내구성과 기능성이 향상된 LIS를 개발하기 위한 유망한 대안을 제공한다.

투과전자현미경(TEM)은 재료과학 및 구조생물학에서 핵심 분석 방법으로, 구조 특성화를 위한 고공간·고시간 해상도를 제공하며 원자 및 분자 수준에서 구조-물성 관계와 구조 역학을 규명할 수 있다. EM의 기술적 발전에도 불구하고, 전자빔의 특성으로 인해 EM 영상화는 저선량 응용의 경우에도 재료에 본질적으로 해로운 영향을 미친다. 본 연구는 전자현미경을 위한 자기지도 고처리량 이미지 denoising 신경망인 SHINE(Self-supervised High-throughput Image denoising Neural network for Electron microscopy)을 소개하며, 다양한 재료 시스템에 대한 최소 침습적 저선량 EM을 가속한다. SHINE은 내재적 노이즈를 포함한 단일 원본 이미지 데이터셋만을 사용하므로 크기가 제한된 데이터셋에 적합하며, 값비싼 정답(ground-truth) 학습 데이터셋이 필요 없어진다. 우리는 SHINE이 현재의 고해상도 TEM, in situ 액체상 TEM, 시간-시계열 스캐닝 TEM, 그리고 cryo-TEM에서 정보 한계를 극복함을 정량적으로 입증하였으며, 이를 통해 광범위한 재료에 걸친 명확한 고처리량 구조 분석을 가능하게 한다.

콜로이드성 나노결정은 화학 반응 과정에서 본질적으로 구조적 변화가 일어난다. 나노미터 스케일의 치수에서 기원하는 강고한 구조-물성 관계는 반응성 화학 매질에서 나노결정의 동적 구조 거동을 이해하는 것의 중요성을 강조한다. 또한 원자 구조에 내재된 복잡성과 이질성으로 인해, 3차원(3D) 원자 해상도에서 개별 나노결정의 구조 전이를 추적할 필요가 있다. 본 연구에서는 용액 내 개별 나노결정의 3D 원자 구조가 시간에 따라 어떻게 진화하는지를 규명하기 위해 시간분해 브라운 운동 단층촬영(time-resolved Brownian tomography) 방법을 도입한다. 이 방법론은 산화적 식각(oxidative etching) 동안 Pt 나노결정의 원자 수준 구조 변화를 조사하는 데 적용하였다. 시간분해 3D 원자 맵은 용해되는 Pt 나노결정의 구조 진화를 결정질 구조에서 무정질 구조로 전이되는 양상으로 보여준다. 본 연구는 벌크 열역학에서 상대적으로 덜 주목받아온, 나노미터 길이 스케일에서의 새로운 상(phase)의 출현을 입증한다.

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. 광학적으로 관찰 가능하며 화학적으로 제거할 수 있는 에피택셜 마이크로와이어는 밀리미터 크기의 다결정 그래핀에서 결정학적 입자(grain) 지도를 수행할 수 있게 하며, 또한 반데르발스 이종구조에서 비틀림 각(<∼1°)을 정밀하게 제어할 수 있게 한다. 이러한 실용적 응용 외에도, 본 연구는 무기 결정의 스핀 코팅(spin coating)에서도 2차원 재료가 에피택셜 템플릿(epitaxial templates)으로 활용될 수 있는 잠재력을 보여준다.