원자 수준의 결함에 대한 이해는 다양한 기술적 응용에서 매우 중요하다. 브래그(coherent) 일관성 X선 회절 이미징(Bragg coherent X-ray diffraction imaging, BCDI)은 현장(in situ) 및 작동 중(operando) 조건에서 이러한 재료에 대해 비파괴적인 3차원 이미징을 가능하게 하지만, 공간 해상도에 한계가 있다. 이러한 한계는 물리량의 정확한 계산, 예를 들어 변형장 에너지 및 변형 상관 길이(strain correlation lengths) 산출을 방해한다. 본 연구에서는 원래 측정 데이터셋을 binning 또는 크롭을 통해 제한하여 획득한 다수의 데이터셋을 평균내고 결합하는 과정을 주된 기반으로 하여 향상된 해상도의 영상을 추론하는 확장 이미지 복원(extended image restoration, ExImRes) 방법을 제시한다. 우리는 ExImRes를 두 가지 나노결정 예시—키랄(chiral) 금 나노입자와 백금 나노입자—에 적용하여, 변형장 에너지 및 원자 수준 변형의 상관 길이를 정밀하게 산출할 수 있는 향상된 공간 해상도를 얻었다. 향상된 영상은 기존의 전통적 BCDI 방법으로는 접근할 수 없었던 격자 스케일의 상세 정보를 드러냈다. 본 연구 결과는 상호공간(역공간)과 실공간 간 변환을 포함하는 이미징 기법에서 고해상도 분석을 획득하고 재료과학의 근본 현상을 이해하기 위해 ExImRes를 발전시키는 데 기여한다.

원자 구조의 무질서화는 상이 정렬된 상태에서 거의 기대되지 않는 기능을 제공하며, 여기에는 상변화 메모리와 포토닉 컴퓨팅이 포함된다. 이러한 접근은 저지연의 신경형 공학을 위해 폰 노이만(von Neumann) 아키텍처를 혁신할 가능성을 지닌다. 그러나 무질서화 과정에서의 상당한 에너지 소비는 데이터 신뢰성과 통합 효율을 저해하며, 통상적으로 이러한 과정은 용융 이후에 일어나는 것으로 간주되어 왔다. 본 연구에서는 등시간성(isochronal) 및 등체적성(isochoric) 방식에서의 무질서화 시간을 조사함으로써, 기존의 용융-급랭(melt-quenching) 이론에 도전한다. 순수 Sb, Ag-In-Sb-Te, In의 무질서화 시간은 InSb의 그것을 50배 이상 초과하며, 이는 InSb에 비해 Sb의 더 높은 융점과 더 낮은 레이저 흡수율에도 불구한 결과이다. 이러한 비자명한 대조는 이론적 계산으로 설명되는데, 비국소화된 전자는 용융점 이하에서도 결합 길이를 유연하게 변화시킬 수 있게 하며, 결합 방향성의 약화가 원래 위치에서 원자들이 이탈할 수 있는 여지를 제공하기 때문이다. 비국소화된 전자에 의해, 특히 공유결합이 아니라 메타발렌트(metavalent) 및 금속 결합을 통해 원자들은 용융을 겪지 않고도 무질서화될 수 있으며, 이는 InSb에 비해 Sb의 급속한 무질서화와 일치한다. 본 결과는 무질서화 동안의 화학적 상호작용과 동역학적 거동 사이에 존재하나 아직 다뤄지지 않은 공백을 연결하며, 에너지 효율을 개선하기 위해 오로지 용융점에만 의존하기보다는 전자의 비국소화에 초점을 둔 설계 규칙을 제시한다.

신축성 전자소자 분야에서 intrinsically stretchable organic light‐emitting diodes(IS‐OLEDs)는 필수적인 구성요소로 간주된다. 그러나 발광기기의 신축성 전계발광(luminescent) 층에 대한 연구는 제한적이다. 효과적인 신축성 발광층을 얻기 위한 가장 일반적인 방법은 공액(결합) 고분자를 엘라스토머와 혼합하는 것이다. 본 연구에서는 열가소성 styrene‐ethylene‐butylene‐styrene(SEBS) 엘라스토머와 소분자(small molecules)를 혼합하여 신축성 발광층을 제조하는 방안을 제안한다. 혼합 필름의 기계적, 전기적, 형태학적 특성을 조사하였다. 그 결과, 혼합 필름은 균열이나 입자 탈리와 같은 형태학적 변화 없이 최대 200%까지 신장될 수 있음을 보여주었다. 또한 신축성 전계발광 층을 갖는 OLED를 제작하고 그 기능이 입증되었다.

원자 수준의 결함에 대한 이해는 다양한 기술적 응용에서 매우 중요하다. 브래그(coherent) 일관성 X선 회절 이미징(Bragg coherent X-ray diffraction imaging, BCDI)은 현장(in situ) 및 작동 중(operando) 조건에서 이러한 재료에 대해 비파괴적인 3차원 이미징을 가능하게 하지만, 공간 해상도에 한계가 있다. 이러한 한계는 물리량의 정확한 계산, 예를 들어 변형장 에너지 및 변형 상관 길이(strain correlation lengths) 산출을 방해한다. 본 연구에서는 원래 측정 데이터셋을 binning 또는 크롭을 통해 제한하여 획득한 다수의 데이터셋을 평균내고 결합하는 과정을 주된 기반으로 하여 향상된 해상도의 영상을 추론하는 확장 이미지 복원(extended image restoration, ExImRes) 방법을 제시한다. 우리는 ExImRes를 두 가지 나노결정 예시—키랄(chiral) 금 나노입자와 백금 나노입자—에 적용하여, 변형장 에너지 및 원자 수준 변형의 상관 길이를 정밀하게 산출할 수 있는 향상된 공간 해상도를 얻었다. 향상된 영상은 기존의 전통적 BCDI 방법으로는 접근할 수 없었던 격자 스케일의 상세 정보를 드러냈다. 본 연구 결과는 상호공간(역공간)과 실공간 간 변환을 포함하는 이미징 기법에서 고해상도 분석을 획득하고 재료과학의 근본 현상을 이해하기 위해 ExImRes를 발전시키는 데 기여한다.

원자 구조의 무질서화는 상이 정렬된 상태에서 거의 기대되지 않는 기능을 제공하며, 여기에는 상변화 메모리와 포토닉 컴퓨팅이 포함된다. 이러한 접근은 저지연의 신경형 공학을 위해 폰 노이만(von Neumann) 아키텍처를 혁신할 가능성을 지닌다. 그러나 무질서화 과정에서의 상당한 에너지 소비는 데이터 신뢰성과 통합 효율을 저해하며, 통상적으로 이러한 과정은 용융 이후에 일어나는 것으로 간주되어 왔다. 본 연구에서는 등시간성(isochronal) 및 등체적성(isochoric) 방식에서의 무질서화 시간을 조사함으로써, 기존의 용융-급랭(melt-quenching) 이론에 도전한다. 순수 Sb, Ag-In-Sb-Te, In의 무질서화 시간은 InSb의 그것을 50배 이상 초과하며, 이는 InSb에 비해 Sb의 더 높은 융점과 더 낮은 레이저 흡수율에도 불구한 결과이다. 이러한 비자명한 대조는 이론적 계산으로 설명되는데, 비국소화된 전자는 용융점 이하에서도 결합 길이를 유연하게 변화시킬 수 있게 하며, 결합 방향성의 약화가 원래 위치에서 원자들이 이탈할 수 있는 여지를 제공하기 때문이다. 비국소화된 전자에 의해, 특히 공유결합이 아니라 메타발렌트(metavalent) 및 금속 결합을 통해 원자들은 용융을 겪지 않고도 무질서화될 수 있으며, 이는 InSb에 비해 Sb의 급속한 무질서화와 일치한다. 본 결과는 무질서화 동안의 화학적 상호작용과 동역학적 거동 사이에 존재하나 아직 다뤄지지 않은 공백을 연결하며, 에너지 효율을 개선하기 위해 오로지 용융점에만 의존하기보다는 전자의 비국소화에 초점을 둔 설계 규칙을 제시한다.

신축성 전자소자 분야에서 intrinsically stretchable organic light‐emitting diodes(IS‐OLEDs)는 필수적인 구성요소로 간주된다. 그러나 발광기기의 신축성 전계발광(luminescent) 층에 대한 연구는 제한적이다. 효과적인 신축성 발광층을 얻기 위한 가장 일반적인 방법은 공액(결합) 고분자를 엘라스토머와 혼합하는 것이다. 본 연구에서는 열가소성 styrene‐ethylene‐butylene‐styrene(SEBS) 엘라스토머와 소분자(small molecules)를 혼합하여 신축성 발광층을 제조하는 방안을 제안한다. 혼합 필름의 기계적, 전기적, 형태학적 특성을 조사하였다. 그 결과, 혼합 필름은 균열이나 입자 탈리와 같은 형태학적 변화 없이 최대 200%까지 신장될 수 있음을 보여주었다. 또한 신축성 전계발광 층을 갖는 OLED를 제작하고 그 기능이 입증되었다.

나노결정의 3차원(3D) 결정면과 변형장 분포를 규명하는 것은 광학, 촉매 및 전자 응용에 필수적이다. 그러나 나노입자의 오목한 표면을 영상화하는 일은 여전히 도전 과제로 남아 있다. 여기서는 브래그(coherent) 동시 X선 회절 이미징(Bragg coherent X-ray diffraction imaging)을 통해, 크기 약 200 nm의 키랄 금 나노입자의 오목한 갭 구조에서 3차원 정보를 시각화하는 방법론을 개발하였다. 오목한 키랄 갭을 구성하는 고 밀러 지수(High-Miller-index) 면들의 분포를 정밀하게 규명하였다. 키랄 갭 인접 영역에서의 고도로 변형된 부분은 해상되었으며, 이는 원자 수준에서 정의된 구조로부터 수치적으로 예측된 나노입자의 432 대칭 형태 및 그에 상응하는 플라즈몬 특성과 상관관계가 확인되었다. 본 접근법은 수백 나노미터 규모의 나노입자에서 3차원 결정학적 및 변형 분포를 시각화하기 위한 포괄적인 특성 규명 플랫폼으로 활용될 수 있으며, 특히 구조적 복잡성과 국소적 이질성이 주요 결정 요인이 되는 응용—플라즈모닉스에서의 예시—에 특히 유용하다.

(∼2.84 keV) 흡수 엣지. 모듈형 장비를 손쉽게 수용하도록 설계된 이 챔버는 FXS 엔스테이션에서 사용자들이 요청하는 다양한 실험 조건을 제공할 수 있는 유연성을 갖추고 있다.

우리는 포항가속기연구소 Pohang Accelerator Laboratory의 엑스선 자유전자레이저에서 단기간 빔타임을 수행하여, 실리콘(222) 금지 브래그 피크에 대한 펌프-프로브(PP) 레이저 여기 회절 실험을 수행하였다. 엑스선의 침투를 제한하기 위해, 실리콘 기판에 결합된 “디바이스 레이어” 실리콘 박막 웨이퍼를 사용하였다. MEMC Electronic Materials가 특별히 제작한 시료는 결정학적 고립을 위해 Si(100) 기판에 45° 회전된 170 nm Si(100) 필름을 접합한 것이었다. 두 번째 시료는 반응성 이온 식각으로 두께 52 nm까지 박리하였다. 실리콘 격자에서 공유결합은 오직 222 반사에서만 관측된다. 레이저 여기 시, 이러한 전자들은 펨토초 전자 시간 척도에서 전도대가 아닌 정성대(valence band)로 여기될 것으로 기대된다. 따라서 Si(222) 반사는 이 빠른 시간 척도에서 소광될 것으로 예상되는 반면, 전자-포논 결합 음향 반응은 격자 동역학에 의해 결정된다. 후자는 디바이스 두께에 대한 음속(sound speed)에 의해 결정되며, 이는 중간 펨토초(mid-picosecond) 범위에 해당한다.

스트론튬 티탄산염(SrTiO3)은 벌크 및 박막에서 널리 연구된 고전적 양자 파라전기(quantum paraelectric) 산화물 재료이다. 이 물질은 산소 팔면체의 회전에 의해 특징지어지는 105 K에서의 잘 알려진 입방정( cubic )-정방정( tetragonal ) 반(半)강유전 항(抗)강이방성(antiferrodistortive) 상전이를 나타낸다. 더 낮은 온도에서의 가능한 제2 상전이는 양자 요동(quantum fluctuations)에 의해 억제되어, 강유전성(ferroelectric) 질서의 개시를 막는다. 그러나 최근 연구들은 변형률(strain)과 기타 수단을 유도함으로써 낮은 온도에서 강유전성 질서를 확립할 수 있음을 보여주었다. 여기서는 다중반사(multi-reflection) 브래그 정합(coherent) 엑스선 회절 이미징(Bragg coherent x-ray diffraction imaging)을 사용하여 낮은 온도에서 두 개의 스트론튬 티탄산염 미세결정(microcrystal)에 대한 변형률 및 회전 텐서를 측정하였다. 우리는 미세결정에서 전위(dislocation)와 포입형 포함물(inclusion-like impurities)에 의해 유도된 변형률을 관찰하였다. 반경 방향 크기 플롯(radial magnitude plots)에 근거하면, 이러한 변형률은 온도가 감소할수록 크기가 증가하고 범위가 확산된다. 피어슨 상관(Pearson's correlation) 상관관계 히트맵은 50 K에서의 구조적 전이를 보여주는데, 이는 변형률이 존재하는 경우 저온 강유전성 상의 형성과 관련될 가능성이 있다. 우리는 105 K의 정방정 상전이(tetragonal phase transition)와 연관된 국소 변형률의 변화는 관찰하지 못하였다.