Growth mechanisms of the crystals determine their unique lattice structures, which, in turn, govern their corresponding physical and chemical properties. Therefore, synthesis of crystals with specific properties requires detailed information on the growth kinetics. One of the most valuable characterizing methods used to identify the growth kinetics of crystalline materials is in-situ electron microscopy, which enables direct observation of the reaction pathways. This method provides the ability to control the environment required for the growth of specific crystals within the microscope column. In this thesis, we investigated multi-scale growth mechanisms of inorganic crystalline nanomaterials using in-situ transmission electron microscopy (TEM). Growth mechanisms of the carbon nanotubes are investigated from a crystallographic perspective and we suggested a generalized growth model by introducing the in-situ heating TEM. Using in-situ liquid TEM, growth pathways of the calcium carbonate were identified and saturated solution-mediated polymorphism was observed. Finally, flocculation kinetics of the halloysite nanoclays were verified at the particle level and correlated to the sedimentation behaviors.
내부 구조에 따라 다양한 특성을 나타내는 결정은 성장 기작에 따라 구조가 결정되기 때문에 결정의 특성을 이해하고 나아가 원하는 특성이 구현된 물질을 합성하기 위해서는 성장 기작에 관한 상세한 정보가 필요하다. 결정 물질의 성장 기작을 규명하기 위해서는 해당 반응을 직접적으로 실시간 관찰하는 전자현미경 분석법이 가장 적합한 방법 중 하나이다. 최근 실시간 전자현미경 분석 기술의 발달에 따라 결정 성장에 필요한 환경을 현미경 내부에 구현함으로써 분석할 수 있는 반응이 점차 확장되고 있다. 결정의 성장 과정은 핵 생성, 성장단계에 의한 결정자의 생성과 나아가 결정자들의 융합/응집을 통한 단결정/침전물로의 성장에 이르는 에이징 단계를 거치게 된다. 본 학위 논문에서는 실시간 전자현미경 분석법을 활용하여 다양한 스케일에서 발생하는 무기 나노 결정물질의 성장 과정을 관찰하였다. 실시간 가열 시스템의 도입을 통해 촉매로부터 비균질 성장이 일어나는 탄소나노튜브의 성장 기작을 결정학적 측면에서 분석하고 성장 모델을 제시하였다. 실시간 액상 시스템의 도입을 통해서는 액체 내부에서의 균질 성장을 통해 생성되는 탄산칼슘의 성장 모델을 구조화하였고, 용액 포화도가 동질이상체 성장에 주는 영향을 확인하였다. 마지막으로, 현탁액 내의 점토입자가 에이징 과정의 응집과정을 통해 성장하는 기작을 관찰하였고, 거시적인 침전반응과의 연관성을 분석하였다.
