Scanning probe microscopy (SPM) is powerful tools to illustrate the local physical characterization in response to the growing needs for energy technologies. We investigated the electronic properties of topological insulator and graphene using scanning probe microscopy. Three-dimensional topological insulators are insulating in the bulk with unusual metallic surface states that consist of spin-polarized Dirac fermions. Graphene has outstanding electrical properties that stem from its massless Dirac fermions with ultrahigh mobility, as well as graphene having excellent mechanical, chemical and thermal stability. In section 2, correlation between electrical transport and mechanical stress were observed in a topological insulator, $Bi_2Te_3$, using conductive probe atomic force microscopy in an ultrahigh vacuum environment. After directly measuring charge transport on the cleaved $Bi_2Te_3$ surface, we found that the current density varied with applied load. This variation of current density was explained in light of the combined effect of changes in the in-plane conductance due to spin？orbit coupling and hexagonal warping. By comparing surface conduction on a fresh surface versus a surface exposed to air, we observed a minor change in resistance when surface oxide was present. In section 3, we report scanning tunneling microscopy (STM) images of graphene on hydrophilic surface, which is influenced by intercalated water layers. Graphene on three water layers exhibits various atomic patterns of graphene, while the atomic structure of graphene on the single water layer shows a typical honeycomb lattice structure, which is also visible on the graphene layer directly contacting the mica surface. Moreover, we report that the conductance of graphene is influenced by intercalated water layers using current sensing atomic force microscopy (C-AFM). The surface conductance is perturbed by the presence of a water layer between the graphene and mica, which is not found in the STM topographic image. We attribute the perturbation of conductance to structural defects from the water film and a weak interaction between the edge of the water and graphene.
우리 사회가 고도로 발전을 거듭하면서 환경, 에너지 분야의 중요성도 날로 커지고 있다. 에너지 생산 및 저장에 대한 수요가 점점 증대됨에 따라, 에너지 기술의 발전을 위해서는 화학적, 물리적, 전기적 영향의 원자레벨에서의 근본적인 이해가 필요하다. 주사탐침현미경(SPM, scanning probe microscopy)은 수십 나노 단위의 탐침을 표면에 1nm이하까지 접근시켜 원자의 힘, 또는 터널링 미세 전류를 이용하여 표면 구조 및 특성에 대한 정보를 제공한다. 본 논문에서는 주사탐침현미경을 이용하여 위상부도체 및 그래핀의 전기적 특성에 대한 연구를 수행하였다.
3차원 위상부도체는 물질 내부는 전기가 흐르지 않은 부도체인데도 불구하고 물질 표면은 전류가 잘 흐르는 도체 성질을 가진 이 물질은 이제까지의 상식에서 벗어나는 독특한 물질로서 물질에 대한 학문적 이해를 한 단계 높은 수준으로 끌어올렸다는 평가를 받고 있다. 또 위상부도체가 가지는 전자 산란에 관한 특이한 성질 때문에 기존의 다른 물질로는 구현하기 어려웠던 에너지 효율이 좋은 소자를 이 위상부도체를 사용해서 구현할 수도 있다는 가능성도 제시되고 있다. 두번째 장에서는 이러한3차원 위상부도체의 물리적 변형과 표면 산화가 전기적특성에 미치는 영향을 연구하였다. 전기전도 원자력현미경(C-AFM, conductive probe atomic force microscopy) 분석을 통해 위상부도체의 기계적 변형이 전하 수송 특성에 영향을 주어 전류 밀도가 압력에 따라 증가하거나 감소하는 결과를 관찰하였다. 이 현상은 위상부도체 표면 전자 구조로 인해 나타나는 특이한 현상으로, 스핀-궤도 상호작용과 등에너지면의 변형으로 해석할 수 있다. 산화막 형성시, 위상부도체 표면의 전기 전도도가 동일해 지는 것을 관찰하였으며, 산화막의 존재에도 불구하고 위상부도체의 표면 전도 특성이 유지됨을 확인하였다.
세번째 장에서는 주사터널링현미경(STM, scanning tunneling microscopy)과 전기전도 원자력현미경(C-AFM)을 이용하여 친수성 표면이 그래핀 전기적 특성에 미치는 효과를 연구하였다. 그래핀은 우수한 전기적, 기계적 특성을 갖고 있어 2004 년 Andre Geim 과 Konstantin Novoselov에 의해 발견된 후 지금까지 많은 관심을 받고 있다. $SiO_2$ 와 같은 친수성 표면은 공기중의 물 분자가 쉽게 표면으로 흡착되어 필연적으로 그래핀의 전기적 특성에 영향을 준다. 본 연구에서는 표면이 원자 단위로 편평하면서 친수성 특징을 가지는 mica 에 화학 증착 그래핀(CVD graphene, chemical vapor deposition graphene) 을 전사하여 원자 구조, 전자 구조 및 표면 전도 특성을 관찰하였다. 친수성 표면과 그래핀 사이에서 물 층은 고체상태로 존재한다. 물 한층이 있을 때와 없을 때는 모두 잘 알려진 육각의 원자구조를 가지고 있으나, 물이 세 층까지 증가하면 원자 구조는 대칭이 깨진 삼각형 패턴으로 관찰되었다. 이는 물 층의 개수가 증가함에 따라, 물이 고체상태에서 액체상태로 바뀌어 그래핀의 원자구조에 영향을 주는 것을 의미한다. 표면 전기전도도는 물이 한층이 있을 때 전기전도도가 낮아지는 영역이 존재하였다. 이는 mica 와 그래핀 사이에 물의 구조적 결함에 의해 생기는 현상으로 확인하였다.
