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이차 고조파 영상 측정을 통한 극저온 열수축 장력 연구

Characterization of Cryogenic Thermal Contraction Strain with Second-Harmonic Generation Imaging

  • 류현승 (Hyeonseung Ryu, 아주대학교 일반대학원)

초록/요약

본 연구에서는 2차원 나노물질의 편광 의존 비선형 광특성을 상온 및 저온 에서 정밀하게 영상화할 수 있는 고분해능 비선형 광학 측정 장치를 개발하였 다. 이를 활용하여, TiO₂ 나노와이어 및 박테리아가 MoS₂ 표면에 유발하는 국소 응력이 이차 고조파(SHG) 비선형성에 미치는 영향을 체계적으로 규명 하였다. 개발된 자동화 측정·분석 시스템은 시료의 위치 및 편광에 따른 비 등방적 SHG 분포를 2차원 영상으로 구현함으로써 나노 스케일 응력장의 공 간적 특성을 정량적으로 평가할 수 있게 하였다. TiO₂나노와이어가 도포된 영역에서는 강한 SHG 증대가 관측되었으며, 특히 나노와이어 양측부에서 국소적으로 높은 신호가 나타났다. 저온 조건에 서는 TiO₂와 MoS₂간의 열수축률 차이에 의해 SHG가 상온 대비 2배 이상 증가하였으며, 증대된 신호는 나노와이어 장축 방향을 따라 더욱 뚜렷하게 국 소화되었다. 편광 의존 분석 결과, AC 방향 정렬 시 나노와이어 장축과 일치 하는 편광에서 최대 SHG 증대가 나타났으며, 이는 나노와이어가 유발하는 방 사축 방향 응력과 일관된 결과이다. 반면, 저온에서의 추가적 신호 증대는 TiO₂가 MoS₂에 비해 상대적으로 큰 열팽창/수축 변화를 보이는 특성에 기 인함을 확인하였다. 또한 개발된 SHG 영상 기법은 생체분자 및 세포계에도 적용 가능함을 확 인하였다. 본 연구에서는 대장균(E. coli)을 MoS₂ 표면에 도포하여 상온 및 저온에서 SHG 변조 효과를 비교한 결과, 두 조건 모두에서 박테리아가 존재 하는 영역에서 SHG가 크게 증가하였으며, 특히 저온에서 상온 대비 두 배 이 상의 신호 증대가 나타났다. 자동화된 3차원 피팅 분석을 통해 저온 조건에서 비등방성이 약 1.1배에서 1.6배까지 증가함을 확인하였으나, SHG 세기 증가 가 비등방성 변화와 항상 정비례하지 않음을 밝혀냈다. 또한 SHG 및 Enhancement factor의 편광 의존성은 TiO₂와는 다른 경향을 보였는데, 이 는 상대적으로 연성인 박테리아가 저온에서 더 큰 수축 변화를 보인 데에서 기인하는 것으로 해석된다. 종합적으로, 본 연구는 경성 나노물질뿐 아니라 생체분자·세포가 유발하 는 저온 표면응력 및 동역학을 비선형 광학적 관점에서 정량적으로 분석할 수 있는 새로운 연구 방법론을 제시하며, 향후 다양한 생·나노 복합계의 물성 연구에 중요한 기반을 제공할 것으로 기대된다.

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목차

제 1 장. 서 론 1
제 2 장. 이 론 3
제 1 절. 전이금속 디칼코게나이드 3
제 2 절. 이차 고조파 생성 5
2-1. 비선형 광학 5
2-2. 이차 고조파 생성 6
2-3. 전이금속 디칼코게나이드에서의 이차 고조파 생성 8
2-4. 기계적 변형에 의한 이차 고조파 생성 변조 10
제 3 절. 극저온 환경에서의 전이금속 디칼코게나이드의 물성 변화 13
제 3 장. 실 험 방 법 14
제 1 절. MoS2/ TIO2 나노와이어 시료 제작 14
1-1 MoS2 박막 14
1-2 TIO2 나노와이어 분산액 제조 14
1-3 MoS2/ TIO2 나노와이어 시료 제작 15
제 2 절. MoS2/ 대장균 시료 제작 17
제 3 절. 고속 이차 고조파 생성 영상화 19
제 4 절. 광발광(Photoluminescence) 영상화 21
제 4 장. 실 험 결 과 23
제 1 절. TiO2 나노와이어에 의한 MoS2 비선형성 증대 연구 23
제 2 절. 나노와이어에 의한 2차고조파 신호의 비등방성 정량 연구 29
제 3 절. 박테리아 유도 비선형성 증대 효과 연구 32
제 5 장. 결 론 38
참 고 문 헌 40
영 문 요 약 43

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