Probing Point Defects in TEM

Abstract

2000년대 초반 주사투과전자현미경(STEM)의 sub angstrom 분해능이 구면수차보정 전자기렌즈의 도입으로 가능해진 이후, single atomic imaging 혹은 light element imaging과 같은 STEM의 측정한계를 뛰어 넘으려는 시도가 전자현미경 학계에서 많이 있었다. 2000년대 중반 HADDF-STEM을 이용해 무거운 원소의 단일원자를 관측하는 데 성공하였고, 2010년에 들어서는 ABF-STEM을 이용한 가벼운 원소 기둥 관측을 연달아 성공하였다. 하지만 아직도 가벼운 불순물 원자 혹은 정공의 관측은 불가능한 것으로 알려져 있다. 우리는 기존 방법의 틀에서 벗어나 점 결함을 strain effect를 이용하여 측정하면 가벼운 불순물 원소와 정공을 구분할 수 있지 않을까 기대하고 있다. 물론 점 결함 하나가 만들어내는 strain field가 산란의 전체적인 양상을 바꾸지는 못하겠지만 특정 각도에서는 다른 양상으로 산란이 일어날 수 있다. 만약 우리가 다른 산란 정보를 주는 각도를 예측하고 그 각도로 산란되는 전자만을 이용하여 imaging한다면, 가벼운 불순물 원자 및 정공을 시각화하는 것이 가능하다 생각하고 있다. 본 연구에서는 strain effect를 이용한 가벼운 불순물 원자와 정공을 관측의 구현 가능성을 컴퓨터 전산모사를 통해 연구하였다. 점 결함이 만들어내는 Strain field는 제1원리 계산의 일종인 범 밀도 함수 이론을 이용하여 구현하였고, 물질 내 전자의 산란은 dynamic 산란 이론의 일종인 multislice 방법을 이용하여 계산하였다. 계산 결과, 비탄성 산란(열 확산 산란)을 억제시키고 strain effect가 많이 일어나는 산란각도 만을 이용한다면 가벼운 불순물 원소 및 정공을 시각화하는 것이 가능할 것으로 예측하였다. 구체적으로, 30mrad에서 50mrad 사이의 각도로 탄성산란 된 전자들 만을 이용해 규소 결정에 들어있는 정공을 imaging한다면, 정공을 가진 기둥이 다른 일반적인 기둥들 보다 두 배 가량 밝은 contrast를 보임을 계산을 통해 확인하였으며, STO 내의 정공 역시 35mrad에서 50mrad 산란각도를 이용하면 정공을 시각화할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 물론 실험을 통해 본 방법을 구현하기 위해서는 아직 CCD의 성능이 필요할 것으로 생각되지만, 본 연구의 방법으로 가벼운 불순물 원소 혹은 정공을 시각화하는 데 성공한다면 그 자체 만으로도 전자현미경 분야에서 의미 있을 뿐만 아니라 인접한 다른 재료 과학분야에도 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.