Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2002.07a
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pp.232-235
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2002
An 150 kV gas cluster ion accelerator was fabricated and assessed. The change of surface morphology and surface roughness were examined by an atom force microscope (AFM) after irradiation of $CO_2$ gas clusters on Si (100) surfaces at the acceleration voltages of 50 kV. The density of hillocks induced by cluster ion impact was gradually increased with the dosage up to 5$\times$10$^{11}$ ions/$\textrm{cm}^2$. At the boundary of the ion dosage of 10$^{12}$ ions/$\textrm{cm}^2$, the density of the induced hillocks was decreased and RMS (root mean square) surface roughness was not deteriorated further. At the dosage of 5x10$^{13}$ ions/$\textrm{cm}^2$, the induced hillocks completely disappeared and the surface became very flat. In addition, the irradiated region was sputtered. $CO_2$ cluster ions are irradiated at the acceleration voltage of 25 kV to remove hillocks on indium tin oxide (ITO) surface and thus to attain highly smooth surfaces. $CO_2$ monomer ions are also bombarded on the ITO surface at the same acceleration voltage to compare sputtering phenomena. From the AFM results, the irradiation of monomer ions make the hillocks sharper and the surfaces rougher On the other hand, the irradiation of $CO_2$ cluster ions reduces the hight of hillocks and planarize the ITO surfaces. From the experiment of isolated cluster ion impact on the Si surfaces, the induced hillocks m high had the surfaces embossed at the lower ion dosages. The surface roughness was slightly increased with the hillock density and the ion dosage. At higher than a critical ion dosage, the induced hillocks were sputtered and the sputtered particles migrated in order to fill valleys among the hillocks. After prolonged irradiation of cluster ions, the irradiated region was very flat and etched.
A 150 kV gas cluster ion accelerator was constructed and the cluster sizes of $CO_2$ and $N_2O$ gases were measured using time-of-flight mast spectrometry. Through isolated cluster ion impact on a HOPG, hillock with 1 nm height and a few tenth m in diameter were found to be formed by an atomic force microscope. When monomer ion beams were irradiated on the hillocks existed on a ITO surface, they became sharper and the surface became rougher. But they changed into round-shaped ones by cluster ion irradiation and the surface became smooth after the irradiation of $5\times10^{-14}\textrm{cm}^2$ at 25 kV. As the cluster ion dose was varied, the change of surface morphology and roughness of Si was examined. At the lower dose, the density of hillocks and surface roughness were increased, called surface embossment process. And then after the critical dose at which the area of the formed hillocks equals to the unirradiated area, the sputtering from the hillocks was predominantly evolved, and dislocated atoms were diffused and filled among the valleys, called surface sputtering and smoothing process. At the higher ion dose, the surface consisting of loosely bounded atoms was effectively sputtered into the depth and etching phenomenon was happened, called surface etching process.
In this work, we observed the effect of silica, zinc oxide, zinc ion coated silica on carboxylic acid modified styrenic thermoplastic elastomer (m-TPS) film for friction-induced surface fracture. m-TPS film added general silica showed poor mechanical properties, anti-abrasion and friction-induced surface fracture, caused by strong filler-filler interaction of silica. In case of m-TPS films added zinc oxide or zinc ion coated silica, mechanical properties, anti-abrasion and friction-induced surface fracture were improved due to forming ionic cluster between carboxylic acid group of m-TPS and zinc ion. Ionic cluster were confirmed by FT-IR analysis that observed zinc carboxylated group stretch peak at $1550{\sim}1650cm^{-1}$.
Reactions that proceed within mixed acetylene-methanol and ethylene-methanol cluster ions were studied using an electron-impact time-of-flight mass spectrometer. When acetylene and methanol seeded in helium are expanded and ionized by electron impact, the ion abundance ratio, [CH3OH+]/[CH2OH+] shows a propensity to increase as the acetylene/methanol mixing ratio increases, indicating that the initially ionized acetylene ion transfers its charge to adjacent methanol molecules within the clusters. Investigations on the relative cluster ion intensity distributions of [CH3OH2+]/[CH3OH+] and [(CH3OH)2H+]/[CH3OH·CH2OH+] under various experimental conditions suggest that hydrogen-atom abstraction reaction of acetylene molecule with CH3OH ion is responsible for the effective formation of CH2OH ion. In ethylene/methanol clusters, the intensity ratio of [CH3OH2]/[CH3OH] increases linearly as the relative concentration of methanol decreases. The prominent ion intensities of (CH3OH)mH over (CH3OH)m-1CH2OH ions (m=1, 2, and 3) at all mixing ratios are also interpreted as a consequence of hydrogen atom transfer reaction between C2H4 and CH3OH to produce the protonated methanol cluster ions.
Micropatterns of streptavidin and human epidermal carcinoma A431 cells were successfully imaged, as received and without any labeling, using cluster $Au_3{^+}$ ion beam-based time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) together with a principal component analysis (PCA). Three different analysis ion beams ($Ga^+$, $Au^+$ and $Au_3{^+}$) were compared to obtain label-free TOF-SIMS chemical images of micropatterns of streptavidin, which were subsequently used for generating cell patterns. The image of the total positive ions obtained by the $Au_3{^+}$ primary ion beam corresponded to the actual image of micropatterns of streptavidin, whereas the total positive-ion images by $Ga^+$ or $Au^+$ primary ion beams did not. A PCA of the TOF-SIMS spectra was initially performed to identify characteristic secondary ions of streptavidin. Chemical images of each characteristic ion were reconstructed from the raw data and used in the second PCA run, which resulted in a contrasted - and corrected - image of the micropatterns of streptavidin by the $Ga^+$ and $Au^+$ ion beams. The findings herein suggest that using cluster-ion analysis beams and multivariate data analysis for TOF-SIMS chemical imaging would be an effectual method for producing label-free chemical images of micropatterns of biomolecules, including proteins and cells.
Myoung Choul Choi;Ji Young Baek;Aram Hong;Jae Yeong Eo;Chang Min Choi
Mass Spectrometry Letters
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v.14
no.4
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pp.147-152
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2023
The increasing demand for two-dimensional imaging analysis using optical or electronic microscopic techniques has led to an increase in the use of simple one-dimensional and two-dimensional mass spectrometry imaging. Among these imaging methods, secondary-ion mass spectrometry (SIMS) has the best spatial resolution using a primary ion beam with a relatively insignificant beam diameter. Until recently, SIMS, which uses high-energy primary ion beams, has not been used to analyze molecules. However, owing to the development of cluster ion beams, it has been actively used to analyze various organic molecules from the surface. Researchers and commercial SIMS companies are developing cluster ion beams to analyze biological samples, including amino acids, peptides, and proteins. In this study, a water droplet ion beam for surface analysis was realized. Water droplets ions were generated via electrospraying in a vacuum without desolvation. The generated ions were accelerated at an energy of 10 keV and collided with the target sample, and secondary ion mass spectra were obtained for the generated ions using ToF-SIMS. Thus, the proposed water droplet ion-beam device showed potential applicability as a primary ion beam in SIMS.
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.23
no.6
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pp.752-759
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2007
For an accurate measurement of aerosol particle size distribution using a differential mobility analyser (DMA), a new calculation process, capable of predicting the masses for the various kinds of water cluster ions generated from a bipolar ionizer, was prepared by improving the previous process. The masses for the 5 kinds of positive and negative water cluster ions produced from a SMAC ionizer were predicted by the improved calculation process. The aerosol particle charging ratios calculated by applying the predicted ion masses to particle charging equations were in good accordance with the experimentally measured ones, indicating that the improved calculation process are more reasonable than the previous one in a mass prediction of bipolar water cluster ions.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2015.08a
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pp.119-119
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2015
Ion beam sputtering has been widely used in Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and Auger Electron Spectroscopy (AES) for depth profile or surface cleaning. However, mainly due to severe matrix effects such as surface composition change from its original composition and damage of the surface generated by ion beam bombardment, conventional sputtering skills using mono-atomic primary ions with energy ranging from a few hundred to a thousand volts are not sufficient for the practical surface analysis of next-generation organic/inorganic device materials characterization. Therefore, minimization of the surface matrix effects caused by the ion beam sputtering is one of the key factors in surface analysis. In this work, the electronic structure of a $Ta_2O_5$ thin film on $SiO_2/Si$ (100) after Ar Gas Cluster Ion Beam (GCIB) sputtering was investigated using X-ray photoemission spectroscopy and compared with those obtained via mono-atomic Ar ion beam sputtering. The Ar ion sputtering had a great deal of influence on the electronic structure of the oxide thin film. Ar GCIB sputtering without sample rotation also affected the electronic structure of the oxide thin film. However, Ar GCIB sputtering during sample rotation did not exhibit any significant transition of the electronic structure of the $Ta_2O_5$ thin films. Our results showed that Ar GCIB can be useful for potential applications of oxide materials with sample rotation.
The parallel computer cluster system has been known as the powerful tool to solve a complex physical phenomenon numerically. The numerical analysis of large size of Li-ion battery pack, which has a complex physical phenomenon, requires a large amount of computing time. In this study, the numerical analyses were conducted for comparing the computing efficiency between the single workstation and the parallel cluster system both with multicore CPUs'. The result shows that the parallel cluster system took the time 80 times faster than the single work station for the same battery pack model. The performance of cluster system was increased linearly with more CPU cores being increased.
Ion-molecule reactions of acetylene and mixed acetylene-ammonia cluster ions are studied using an electron impact time-of-flight mass spectrometer. The present results clearly demonstrate that $(C_2H_2)_n^+$ cluster ion distribution represents a distinct magic number of n=3. The mass spectroscopic evidence for the enhanced structural stabilities of $[C_6H_4{\cdot}(NH_3)_m]^+$ (m=0-8) ions is also found along with the detection of mixed cluster $[(C_2H_2)_n{\cdot}(NH_3)_m]^+$ ions, which gives insight into the feasible structure of solvated ions. This is rationalized on the basis of the structural stability for acetylene clusters and the dissociation dynamics of the complex ion under the presence of solvent molecules.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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