KR101493837B1 - 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치 - Google Patents

저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치 및 방법에 관한 것으로 크라이오스탯을 사용하여 저온의 샘플에 레이저를 입사하여 발생하는 광전류와 샘플에서 반사된 레이저를 포토다이오드 등을 통해 이미지 전압신호를 샘플 표면에 입사하는 빛의 위치를 이동하여 스캐닝하면서 연속적으로 검출하고, 상기 광전류 및 이미지 전압신호를 데이터화하여 광전류 이미지 및 반사 이미지를 도출하는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치{Microscopy Scanning Photocurrent and Photovoltage at Low Temperature.}
본 발명은 저온에서 샘플을 이미징하는 기술로 회절한계까지 집속된 레이저를 이용하여 마이크로 미터 이하의 해상도를 가지는 국소부위 광전류 또는 광전압 측정 장치에 관한 것이다.
종래기술로서 이미징 기술에는 STM(Scanning Tunneling Microscope), AFM(Atomic force microscopy), TEM(Transmission electron microscopy)가 있다.
STM은 시료 표면에 전자를 쏘아준 후, 전자가 터널링을 일으키는 현상으로부터 시료의 구조를 알아내는 현미경이다. 전자가 파동성을 띠며 시료를 통과하는 현상을 터널링이라 하는데, 이러한 터널링 현상은 전자를 쏘아주는 위치와 시료가 놓여있는 위치의 거리가 가까울수록 잘 일어난다. 즉 시료의 표면 중 탐침과 가까이 있는 부분에서는 터널링을 일으킨 전자가 발견된 확률이 높고, 거리가 먼 부분은 터널링을 일으킨 전자를 발견할 확률이 낮다. 따라서 터널링 정도를 통해 시료 각 부분의 미세한 위치를 파악할 수 있는 것이다.
AFM은 STM에서는 전기 도체표면의 원자상에서 밖에 측정할 수 없었기 때문에 고안된 장치이다. 탐침을 캔틸레버의 끝에 매달아 놓고, 캔틸레버의 도중에 도전체의 작은 바늘을 달아 터널전류를 측정하든가, 광연자의 반사광의 편향을 검출하여 원자간의 힘을 측정하여 표면의 원자상을 측정한다.
TEM은 전자현미경 중에서 전자선을 집속하여 시료에 조사하여 시료를 투과한 전자선을 전자렌즈에 의해 확대하여 상을 얻는 것을 말한다. 시료 중을 전자가 통과하기 때문에 시료를 얇게 하거나, 시료 표면의 관찰에는 박막이나 레프리커를 이용한다.
하지만 STM과 AFM은 이미징을 하는데 걸리는 시간이 길어서 많은 수의 물질이나 대면적의 물질을 분석하는데 한계가 있다. 또한 TEM이나 STM의 경우 물질에 대한 많은 정보를 알려주기는 하나 샘플을 준비하는 것이 복잡하고 준비과정에서 물질에 데미지를 줄 수 있는 가능성이 있다.
이에 레이저를 이용한 이미징 기술의 중요성이 높아지고 있다. 레이저를 이용한 스캐닝은 이미징을 빨리 할 수 있기 때문에 대면적의 이미징을 가능하게 하고 샘플의 준비과정이 복잡하지 않으며 샘플에 데미지를 거의 주지 않으면서 파장을 조절하여 분광학적인 분석이 가능하다는 장점이 있기 때문이다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 10-0918434는 주사광학현미경에 관한 것으로서, 주사광학현미경은, 시료홀더를 구비하는 주사전자현미경 본체; 주사전자현미경 본체에 시료홀더에 대해 수직하게 설치되어 시료홀더와 마주하는 전자광학유닛; 전자광학유닛과 나란하게 주사전자현미경 본체 내부에 설치되어 연결되는 진공펌프; 및 주사전자현미경 본체의 내부에 설치되어 전자광학유닛을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된다. 제어부가 주사전자현미경 본체와 구획되어 별도로 설치되지 않고 주사현미경본체 내부에 설치됨으로써 구조가 간단한 주사현미경을 제공할 수 있는 장점이 있다. 하지만 이미징을 하는데 시간이 길어서 많은 수의 물질 또는 대면적의 물질을 분석하는데 한계가 있다.
종래 이미징 기술로 TM(Scanning Tunneling Microscope), AFM(Atomic force microscopy), TEM(Transmission electron microscopy)가 사용되어 왔으나, 종래기술은 이미징을 하는데 걸리는 시간이 길어서 많은 수의 물질이나 대면적의 물질을 분석하는데 한계가 있고 샘플을 준비하는 것이 복잡하고 준비과정에서 물질에 데미지를 줄 수 있는 가능성이 있어 이에 대한 개선이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 어떤 형태의 레이저든 쉽게 샘플로 입사할 수 있도록 장치를 구성하였고, 샘플이 저온을 유지될 수 있도록 하기 위해 크라이오스탯(cryostat)이란 저온을 유지할 수 있는 챔버 장치를 사용하였고, 스테이지가 X-Y 방향으로 움직이지 않기 때문에 입사되는 빛을 X-Y방향으로 움직여서 이미징하기 위한 스캐닝 거울을 사용하였으며, 이미지 전압신호를 측정하여 반사 이미징을 얻기 위해 렌즈 패어를 사용하였고, 로크인 앰프에서 출력되는 신호를 읽어서 데이터화하여 스캐닝 미러의 움직임에 따른 이미지를 도출하였다.
이에 따라 본 발명은 저온에서 물질의 국소적인 전기신호 및 정보들을 마이크로 미터 이하의 분해능을 가지는 집속된 빛을 이용하여 이미징할 수 있고, 또한 파장 변화가 가능한 레이저를 통하여 물질의 분광학적인 정보를 동시에 얻을 수 있게 된다.
본 발명은 400~2000nm 사이의 파장대에서 특정 파장을 선택하는 것이 가능하여 필요에 따라 파장을 변화시킬 수 있고 이를 통한 물질의 분광학적인 정보를 동시에 얻을 수 있다.
로크인 앰프(lock-in amplifier)를 사용함으로 인해 특정 진동수에 해당하는 신호를 검출할 수 있게 되는데, 본 발명에서 출력되는 광전류 및 이미지 전압신호는 초퍼 블레이드의 on-off 진동수와 같은 진동수를 갖게 되고, 로크인 앰프의 레퍼런스 진동수를 초퍼 진동수로 맞추어 주면, 신호대 노이즈 비율을 극대화하고 광전류 및 이미지 전압신호에 대한 신호만을 추출할 수 있게 된다.
2D 스캐닝 거울을 사용하여 입사되는 빛이 스테이지를 이동하면서 스캐닝 이미징을 할 수 있기 때문에 대면적의 이미징을 가능하게 하고, 샘플의 준비과정이 복잡하지 않기 때문에 데미지를 주지 않으면서 분광학적인 분석이 가능하다는 장점이 있다.
크라이오스탯을 사용하여 저온에서의 측정이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명인 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치의 일실시예를 보여주는 구성도이다.
도 2는 스캐닝 거울의 작동원리를 보여주는 모식도이다.
도 3은 렌즈 페어가 있을 때와 없을 때 샘플에서 반사되는 빛이 얼마만큼 deflection되는지를 보여주는 모식도이다.
도 4는 렌즈 페어를 사용하여 빛의 직경을 조절하는 원리를 보여주는 모식도이다.
도 5는 레이저의 직경이 D일때와 3D일때 각각에 대하여 샘플 표면에 포커싱이 되었을 때 어느 길이만큼 스캔을 할 수 있는지를 보여주는 모식도이다.
도 6은 본 발명인 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
본 발명인 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치 및 방법의 일실시예를 하기 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명인 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치의 일실시예를 보여주는 구성도로서, 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치는 샘플을 저온 상태로 유지하기 위한 저온 챔버(300), 상기 샘플로 빛을 조사하기 위한 광원(100), 상기 광원(100)에서 발생한 빛이 상기 샘플 표면에 도달하여 반사된 빛의 세기에 비례하여 이미지 전압신호를 출력하는 포토 디텍터(400), 상기 광원(100), 샘플 또는 포토 디텍터(400) 사이에 위치하여 상기 광원(100)에서 발생한 빛이 상기 샘플에 도달하고, 상기 샘플에서 반사된 빛이 상기 포토 디텍터(400)에 도달할 수 있도록 빛의 경로를 사용자의 목적에 따라 조절가능하도록 하는 광경로 조절부(200), 상기 샘플과 전기적으로 연결되어 상기 광원(100)에서 발생한 빛이 상기 광경로 조절부(200)를 통과하여 샘플의 표면에 도달하면서 발생되는 광전류를 검출하는 광전류 검출부(510), 상기 샘플 표면에서 반사된 빛이 광경로 조절부를 통해 상기 포토 디텍터(400)에 도달하여 발생하는 이미지 전압신호를 검출하는 이미지 전압신호 검출부(530)를 포함하여 구성된다. 이때 상기 샘플과 광원의 위치는 고정된 상태에서, 상기 광경로 조절부만을 이용하여, 샘플의 측정위치를 변화시킬 수 있게 된다. 이때 광전류 검출부(510)와 이미지 전압신호 검출부(530)는 특정 주파수의 신호만을 검출하게 되고, 로크인 앰프(Lock-in Amplifier) 또는 페이즈-센서티브 디텍터(Phase-sensitive Detector)를 사용할 수 있으나 이로 제한되지 않음은 물론이다. 광전류 검출부(510)는 본 실시예에서 샘플의 광전류를 검출하게 되나 또한 광전압을 검출하는 것도 가능하다.
저온 챔버(300)는 대물렌즈와 마주보는 상부에 빛이 입사할 수 있도록 형성된 윈도우, 상기 샘플이 저온 챔버 내부에 위치할 수 있는 샘플 받침대, 액화기체를 순환시켜 저온을 유지하는 냉각부를 포함하여 구성되는데, 상기 액화기체는 액화헬륨 또는 액화 질소를 사용할 수 있고, 저온 챔버(300)의 온도는 5~475K까지 조절이 가능하다. 따라서, 상기 저온 챔버(300)는 내부에 위치한 샘플을 5~475K의 저온 상태로 유지할 수 있다. 이 때, 상기 저온챔버로 크라이오스탯을 사용할 수 있으나 이로 제한되지 않음은 물론이다.
광경로 조절부는 분광 조성을 변경하지 않고 감광하는 ND 필터(210), 빛을 반사하여 빛의 경로를 원하는 방향으로 조절하는 거울(220), 빛의 일부는 통과시키고 일부는 반사하여 광선속을 둘로 나눈는 빔 스플리터(240), 레이저 빛의 직경을 조절하고, 상기 샘플에서 반사된 빛의 굴절을 작게 만들어 상기 반사된 빛이 상기 포토 디텍터에 모두 들어갈 수 있게 하는 렌즈 페어(250), 상기 샘플에 입사되는 빛의 입사위치를 X 방향 또는 Y 방향으로 변화시켜 샘플을 스캐닝하기 위한 2D 스캐닝 거울(230), 빛을 상기 샘플에 집광시키는 대물렌즈(260) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되게 된다.
도 2는 스캐닝 거울의 작동원리를 보여주는 모식도로서, 스캐닝 거울의 각도를 조절하여 빛의 입사위치를 조절하게 된다. 2D 스캐닝 거울(230)은 샘플에 입사되는 빛의 입사위치를 X축 방향으로 움직이는 제 1 거울과 Y축 방향으로 움직이는 제 2 거울을 포함하여 구성되고, 상기 거울을 회전함으로써 상기 샘플에 입사되는 빛이 X 방향 또는 Y 방향으로 입사 위치가 변화게 되고, 상기 제 1 거울 또는 제 2 거울의 회전각도를 조절하여 샘플에 입사되는 빛의 위치를 연속적으로 변화시킴으로써, 샘플에 대해 연속적인 광전류 및 이미지 전압신호를 측정할 수 있게 된다. 상기 거울의 회전은 인가되는 전압의 크기에 비례하여 회전하게 되고, 상기 인가되는 전압은 전자제어장치로 조절하게 되어 자동으로 상기 거울의 회전이 이루어지게 된다.
빔스플리터(240)는 언마운티드 빔스플리터(unmounted beam splitter)를 사용하는 것이 바람직한데 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이고, 상기 언마운티드 빔스플리터(unmounted beam splitter)는 레이저의 파장에 따라 최소의 광손실(optical loss)를 가지는 것을 선택적으로 장착할 수 있다.
대물렌즈(260)는 Z축 방향의 이동이 가능하고, 파장에 따른 굴절율의 변화로 인해 발생하는 대물렌즈의 색수차를 없애기 위해 리플렉티브 대물렌지(reflective objective lens)를 사용하는 것이 바람직하나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
도 3은 렌즈 페어가 있을 때와 없을 때 샘플에서 반사되는 빛이 얼마만큼 deflection되는지를 보여주는 모식도로서, 렌즈 페어(250)가 있는 경우 deflection이 줄어들게 되어 샘플에서 반사된 빛이 모두 포토 디텍터(400)에 도달할 수 있게 되는 것을 확인할 수 있다. 상온에서는 피에조 스테이지를 사용하는 것이 가능하여 스테이지를 직접 움직이기 때문에 빛이 입사면에 항상 수직으로 반사되지만, 저온 장치에서는 입사되는 빛 자체의 각도를 움직이기 때문에 반사되는 빛 또한 입사면과 수직이 아닌 방향으로 반사되고 이렇게 반사된 빛은 입사되는 빛의 경로를 이탈하게 되기 때문에 렌즈 페어(250)가 필요하게 된다. 렌즈 페어(250)가 없으면 반사된 빛의 deflection이 너무 크게 되어 포토 디텍터에 모두 들어가지 못하게 된다. 하지만 렌즈 페어(250)가 있다면 반사된 빛의 deflection이 작기 때문에 전체 스캔 영역에 대한 반사된 빛이 모두 포토 디텍터에 들어갈 수 있게 된다.
도 4는 렌즈 페어를 사용하여 빛의 직경을 조절하는 원리를 보여주는 모식도로서 렌즈 페어(250)를 사용하여 빛의 직경을 조절하는 것이 가능하다.
도 5는 레이저의 직경이 D일때와 3D일때 각각에 대하여 샘플 표면에 포커싱이 되었을 때 어느 길이만큼 스캔을 할 수 있는지를 보여주는 모식도로서, 렌즈 페어(250)가 빛의 직경을 확장 또는 축소시킴에 있어서, 빛의 직경을 확장시켰을 때 이미징할 수 있는 영역의 범위가 줄어들 수 있음을 확인할 수 있다.
도 1의 일실시예에서 광경로 조절부(200)는 빛이 광원에서 출발하여 샘플에 도달하기까지 ND 필터(210), 제 1 거울, 제 2 거울, 제 1 빔 스플리터(beam splitter), 2D 스캐닝 거울(230), 렌즈 페어(250), 제 2 빔 스플리터(beam splitter), 대물렌즈(260)를 차례로 통과하게 되고, 샘플에서 반사된 빛이 상기 포토 디텍터(400)에 도달하기까지 대물렌즈(260), 제 2 빔 스플리터(beam splitter), 렌즈 페어(250), 2D 스캐닝 거울(230), 제 1 빔 스플리터(beam splitter)를 차례로 통과하게 되는데 이는 하나의 실시예로서 이와 다르게 광경로 조절부를 구성하는 것이 가능할 것이고, 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
광원(100)은 450~2000nm의 파장을 가지는 초연속 레이저(110), 405nm CW 레이저(120), 532nm CW 레이저(130) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성된다. 상기 광원이 초연속 레이저(110)인 경우에는 450~2000nm의 파장 중에서 특정 파장을 선택하기 위한 단색화 장치(150)와 편광판(170)을 더 포함하여 구성되게 된다. 이를 통해 원하는 파장의 레이저를 선택적으로 샘플에 입사하는 것이 가능하게 된다.
광원(100)에서 발생한 빛은 일정한 주기로 on-off되어 상기 샘플에 도달되는데, 상기 빛의 on-off는 함수발생기(fuction generator)에서 출력되는 AC전압 또는 TTL 신호 중에서 어느 하나를 통하여 할 수 있고, 이 경우에는 초퍼 블레이드가 필요하지 않다. 도 1의 실시예에서는 초퍼 블레이드를 사용하여 빛을 on-off하였는데, 상기 초퍼 블레이드(chopper blade)는 상기 광원의 빛이 나아가는 전방에 위치하여 일정한 주기로 회전함으로써 상기 샘플에 도달하는 빛을 일정한 주기로 통과 또는 차단되도록 하여 빛이 on-off되도록 한다.
포토 디텍터(400)는 규소 포토다이오드 또는 게르마늄 포토다이오드 중에서 어느 하나를 사용할 수 있는데 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
광전류 검출부(510) 및 이미지 전압신호 검출부(530)는 상기 빛의 on-off 진동수를 참조신호로 입력하여 상기 샘플에서 발생되는 광전류 신호 및 상기 포토 디텍터(400)에서 발생한 이미지 전압신호를 검출하게 된다.
데이터화 장치는 상기 광전류 검출부(510) 및 이미지 전압신호 검출부(530)에서 검출된 광전류 및 이미지 전압신호의 아날로그 신호를 컴퓨터상의 데이터로 전환하여 최종적으로 컴퓨터상에서 광전류 이미지와 반사 이미지를 도출할 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명인 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법을 단계별로 나타낸 순서도로서, 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법은 광원(100)에서 레이저를 발생시키는 단계; 상기 레이저가 광경로 조절부(200)를 통과하고 저온 챔버(300)의 윈도우를 통과하여 상기 저온 챔버 내부에 위치하는 샘플의 표면에 도달하는 단계; 상기 샘플의 표면에 도달된 레이저로 인해 광전류를 발생시키는 단계; 상기 샘플의 표면에 도달된 레이저가 반사되는 단계; 상기 반사된 레이저가 상기 저온 챔버(300)의 윈도우와 광경로 조절부를 통과하여 포토다이오드에 도달하여 이미지 전압신호를 발생시키는 단계; 광전류 검출부(510)에서 상기 광전류를 검출하는 단계; 이미지 전압신호 검출부(530)에서 상기 이미지 전압신호를 검출하는 단계; 검출된 광전류 또는 이미지 전압신호를 컴퓨터에 데이터화하여 광전류 이미지와 반사이미지를 얻는 단계;를 포함하여 이루어진다.
이때, 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법은 입사광이 샘플의 서로 다른 복수개의 위치에서 상기 (i)~(viii) 단계를 복수회 반복 실시하여 연속적으로 광전류 신호 또는 이미지 전압신호를 얻고 이를 데이터화하여 상기 광전류 이미지와 반사 이미지를 얻는 단계를 더 포함으로써 스캐닝 이미징을 할 수 있기 때문에 대면적의 이미징을 할 수 있게 된다. 상기 서로 다른 복수개의 위치는 광원의 이동 또는 광원의 이동 없이 2D 스캐닝 거울(230)의 각도만을 조절함으로써, 샘플의 측정위치를 변화시켜 결정되게 된다.
광원(100)에서 발생한 레이저가 광경로 조절부(200)를 통하여 샘플로 입사하는 것은 상기 광원에서 발생한 레이저가 ND 필터(210)를 통과하는 단계; 상기 ND 필터(210)를 통과한 레이저가 제 1 빔 스플리터를 통과하는 단계; 상기 제 1 빔 스플리터를 통과한 레이저가 2D 스캐닝 거울(230)을 통과하는 단계; 상기 2D 스캐닝 거울(230)을 통과한 레이저가 렌즈 페어(250)를 통과하는 단계; 상기 렌즈 페어(250)를 통과한 레이저가 제 2 빔 스플리터에서 반사되는 단계; 상기 제 2 빔 스플리터에서 반사된 레이저가 대물렌즈(260)를 통과하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
광원(100)이 초연속 레이저(110)인 경우, 상기 초연속 레이저(110)가 단색화 장치(150) 및 편광판(170)을 통과하면서 400~2000nm의 파장 중 특정 파장을 갖는 레이저가 되도록 선택할 수 있는 단계를 더 포함하게 된다.
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.
100: 광원 110: 초연속 레이저
120: 405nm CW 레이저 130: 532nm CW 레이저
150: 단색화 장치 170: 편광판
200: 광경로 조절부 210: ND 필터
220: 거울 230: 2D 스캐닝 거울
240: 빔 스플리터 250: 렌즈 페어
260: 대물렌즈 300: 저온 챔버
310: 샘플 받침대 400: 포토 디텍터
510: 광전류 검출부 530: 이미지 전압신호 검출부
600: 초퍼 블레이드

Claims (21)

  1. 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치에 있어서,
    샘플을 5~475K 범위의 저온 상태로 유지하기 위한 저온 챔버;
    상기 샘플로 빛을 조사하기 위한 광원;
    상기 광원에서 발생한 빛이 상기 샘플 표면에 도달하여 반사된 빛의 세기에 비례하여 이미지 전압신호를 출력하는 포토 디텍터;
    상기 광원, 샘플 또는 포토 디텍터 사이에 위치하여 상기 광원에서 발생한 빛이 상기 샘플에 도달하고, 상기 샘플에서 반사된 빛이 상기 포토 디텍터에 도달할 수 있도록 빛의 경로를 사용자의 목적에 따라 조절가능하도록 하는 광경로 조절부;
    상기 샘플과 전기적으로 연결되어 상기 광원에서 발생한 빛이 상기 광경로 조절부를 통과하여 샘플의 표면에 도달하면서 발생되는 광전류를 검출하는 광전류 검출부;
    상기 샘플 표면에서 반사된 빛이 광경로 조절부를 통해 상기 포토 디텍터에 도달하여 발생하는 이미지 전압신호를 검출하는 이미지 전압신호 검출부;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 샘플과 광원의 위치는 고정된 상태에서, 상기 광경로 조절부만을 이용하여, 샘플의 측정위치를 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 저온 챔버는 대물렌즈와 마주보는 상부에 빛이 입사할 수 있도록 형성된 윈도우,
    상기 샘플이 저온 챔버 내부에 위치할 수 있는 샘플 받침대,
    액화기체를 순환시켜 샘플을 5~475K 범위의 저온 상태로 유지하는 냉각부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광경로 조절부는 분광 조성을 변경하지 않고 감광하는 ND 필터(neutral density filter),
    빛을 반사하여 빛의 경로를 원하는 방향으로 조절하는 거울,
    빛의 일부는 통과시키고 일부는 반사하여 광선속을 둘로 나눈는 빔 스플리터(beam splitter),
    레이저 빛의 직경을 조절하고, 상기 샘플에서 반사된 빛의 굴절을 작게 만들어 상기 반사된 빛이 상기 포토 디텍터에 모두 들어갈 수 있게 하는 렌즈 페어(lens pair),
    상기 샘플에 입사되는 빛의 입사위치를 X 방향 또는 Y 방향으로 변화시켜 샘플을 스캐닝하기 위한 2D 스캐닝 거울,
    빛을 상기 샘플에 집광시키는 대물렌즈 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 2D 스캐닝 거울은 상기 샘플에 입사되는 빛의 입사위치를 X축 방향으로 움직이는 제 1 거울과 Y축 방향으로 움직이는 제 2 거울을 포함하여 구성되고,
    상기 거울을 회전함으로써 상기 샘플에 입사되는 빛이 X 방향 또는 Y 방향으로 입사 위치가 변화게 되고,
    상기 제 1 거울 또는 제 2 거울의 회전각도를 조절하여 샘플에 입사되는 빛의 위치를 연속적으로 변화시킴으로써, 샘플에 대해 연속적인 광전류 및 이미지 전압신호를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 거울의 회전은 인가되는 전압의 크기에 비례하여 회전하게 되고,
    상기 인가되는 전압은 전자제어장치로 조절하게 되어 자동으로 상기 거울의 회전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 빔스플리터(beam splitter)는 언마운티드 빔스플리터(unmounted beam splitter)이고,
    상기 언마운티드 빔스플리터(unmounted beam splitter)는 레이저의 파장에 따라 최소의 광손실(optical loss)를 가지는 것을 선택적으로 장착할 수 있는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 대물렌즈는 Z축 방향의 이동이 가능하고,
    파장에 따른 굴절율의 변화로 인해 발생하는 대물렌즈의 색수차를 없애기 위해 리플렉티브 대물렌지(reflective objective lens)인 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 광경로 조절부는 빛이 광원에서 출발하여 샘플에 도달하기까지 ND 필터(neutral density filter), 제 1 거울, 제 2 거울, 제 1 빔 스플리터(beam splitter), 2D 스캐닝 거울, 렌즈 페어(lens pair), 제 2 빔 스플리터(beam splitter), 대물렌즈를 차례로 통과하게 되고,
    샘플에서 반사된 빛이 상기 포토 디텍터에 도달하기까지 대물렌즈, 제 2 빔 스플리터(beam splitter), 렌즈 페어(lens pair), 2D 스캐닝 거울, 제 1 빔 스플리터(beam splitter)를 차례로 통과하는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 광원은 450~2000nm의 파장을 가지는 초연속 레이저(supercontinuum laser), 405nm CW 레이저(continuous wave laser), 532nm CW 레이저(continuous wave laser) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 광원이 초연속 레이저(supercontinuum laser)인 경우에는 450~2000nm의 파장 중에서 특정 파장을 선택하기 위한 단색화 장치(monochromator)와 편광판(polaizer)을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 광원에서 발생한 빛은 일정한 주기로 on-off되어 상기 샘플에 도달되는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 빛의 on-off는 함수발생기(fuction generator)에서 출력되는 AC전압 또는 TTL 신호 중에서 어느 하나를 통하여 제어되는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  13. 제 11항에서,
    상기 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치는 초퍼 블레이드(chopper blade)를 더 포함하여 구성되고,
    상기 초퍼 블레이드(chopper blade)는 상기 광원의 빛이 나아가는 전방에 위치하여 일정한 주기로 회전함으로써 상기 샘플에 도달하는 빛을 일정한 주기로 통과 또는 차단되도록 하여 빛이 on-off되는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 포토 디텍터는 규소 포토다이오드 또는 게르마늄 포토다이오드 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 광전류 검출부 및 이미지 전압신호 검출부는 상기 빛의 on-off 진동수를 참조신호로 입력하여, 상기 광전류 검출부는 상기 샘플에서 발생되는 광전류 신호를 검출하고, 상기 이미지 전압신호 검출부는 상기 포토 디텍터에서 발생한 이미지 전압신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치는 데이터화 장치를 더 포함하여 구성되고,
    상기 데이터화 장치는 상기 광전류 검출부에서 검출된 광전류의 아날로그 신호를 컴퓨터상의 데이터로 전환하고, 상기 이미지 전압신호 검출부에서 검출된 이미지 전압신호의 아날로그 신호를 컴퓨터상의 데이터로 전환하는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 장치.
  17. 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법에 있어서,
    (i) 광원에서 레이저를 발생시키는 단계;
    (ii) 상기 레이저가 광경로 조절부를 통과하고, 샘플을 5~475K 범위의 저온 상태로 유지하기 위한 저온 챔버의 윈도우를 통과하여 상기 저온 챔버 내부에 위치하는 샘플의 표면에 도달하는 단계;
    (iii) 상기 샘플의 표면에 도달된 레이저로 인해 광전류를 발생시키는 단계;
    (iv) 상기 샘플의 표면에 도달된 레이저가 반사되는 단계;
    (v) 상기 반사된 레이저가 상기 저온 챔버의 윈도우와 광경로 조절부를 통과하여 포토다이오드에 도달하여 이미지 전압신호를 발생시키는 단계;
    (vi) 광전류 검출부에서 상기 광전류를 검출하는 단계;
    (vii) 이미지 전압신호 검출부에서 상기 이미지 전압신호를 검출하는 단계;
    (viii) 검출된 광전류 및 이미지 전압신호를 컴퓨터에 데이터화하여 광전류 이미지와 반사이미지를 얻는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    입사광이 샘플의 서로 다른 복수개의 위치에서 상기 (i)~(viii) 단계를 복수회 반복 실시하여 연속적으로 광전류 신호 및 이미지 전압신호를 얻고 이를 데이터화하여 상기 광전류 이미지와 반사 이미지를 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 서로 다른 복수개의 위치는 광원의 이동 또는 광원의 이동 없이 2D 스캐닝 거울의 각도만을 조절함으로써, 샘플의 측정위치를 변화시켜 결정되는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 (ii) 단계에서 레이저가 광경로 조절부를 이동하는 것은
    (a) 상기 광원에서 발생한 레이저가 ND 필터(neutral density filter)를 통과하는 단계;
    (b) 상기 ND 필터(neutral density filter)를 통과한 레이저가 제 1 빔 스플리터(beam splitter)를 통과하는 단계;
    (c) 상기 제 1 빔 스플리터(beam splitter)를 통과한 레이저가 2D 스캐닝 거울을 통과하는 단계;
    (d) 상기 2D 스캐닝 거울을 통과한 레이저가 렌즈 페어(lens pair)를 통과하는 단계;
    (e) 상기 렌즈 페어(lens pair)를 통과한 레이저가 제 2 빔 스플리터(beam splitter)에서 반사되는 단계;
    (f) 상기 제 2 빔 스플리터(beam splitter)에서 반사된 레이저가 대물렌즈를 통과하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법.
  21. 제 17항에 있어서,
    상기 (i) 단계의 광원이 초연속 레이저(supercontinuum laser)인 경우,
    상기 (i) 단계 및 (ii) 단계 사이에 상기 초연속 레이저(supercontinuum laser)가 단색화 장치(monochromator) 및 편광판(polarizer)을 통과하면서 400~2000nm의 파장 중 특정 파장을 갖는 레이저가 되도록 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 저온에서 광전류 및 광전압을 측정하고 이미징하는 방법.
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