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Hydrogen & Semiconductor Materials 수소 및 반도체 소재

Hydrogen & Semiconductor Materials
Catalyst surfaces and semiconductor interfaces — AI concept illustration. 촉매 표면과 반도체 계면을 연결하는 AI 개념도.

The performance of a catalyst or semiconductor can be shaped by changes confined to a few atomic layers. We extend our microscopy expertise to hydrogen production and fuel-cell catalysts, as well as semiconductor interfaces where defects, strain, and local electric fields govern function. Imaging, diffraction, and spectroscopy connect atomic arrangements with chemical and electronic structure. Through gas-cell experiments, 4D-STEM, and monochromated EELS, we are developing ways to reveal why materials activate, degrade, or change their properties under working conditions. 촉매의 활성과 반도체의 물성은 수 원자층의 작은 변화에 의해 달라질 수 있습니다. 우리 연구실은 수소 생산·연료전지 촉매의 반응과 열화, 그리고 결함·변형률·국소 전기장이 기능을 좌우하는 반도체 계면으로 분석 영역을 확장합니다. 이미징·회절·분광을 결합하여 원자 배열과 화학적·전자적 구조를 함께 해석합니다. Gas-cell 실험, 4D-STEM, monochromated EELS를 통해 작동 환경에서 소재가 활성화되거나 성능을 잃는 원인을 밝히고, 촉매와 전자 소재의 설계에 필요한 단서를 찾습니다.

Hydrogen: understanding catalysts as they work

Catalytic activity depends on the structure of the active surface and its interaction with the surrounding gas. We investigate particle evolution, catalyst–support interfaces, and carbon formation in materials for hydrogen production and fuel cells.

Our gas-cell research connects controlled gas exposure and heating with electron microscopy. Methane pyrolysis for turquoise hydrogen and the evolution of fuel-cell catalysts are key directions. Combining dynamic imaging with 4D-STEM and EELS will help link structural transformations to strain and chemical changes.

A central question is which changes accompany activation and which lead to lasting degradation. We aim to relate particle reshaping, support interactions, and carbon accumulation to the local reaction environment. Following the same particles as conditions change can reveal pathways that are difficult to reconstruct from separate before-and-after specimens.

Hydrogen at the atomic scale

Published examples show how advanced microscopy makes hydrogen-related changes visible—from hydrogen columns at a metal–hydride interface to the lattice strain of a nanoparticle under gas.

HAADF, ABF, and iDPC comparison at a titanium–titanium hydride interface

Locating hydrogen columns with iDPC-STEM. Literature example · de Graaf et al., Science Advances (2020), Fig. 2 · Paper · CC BY-NC 4.0

4D-STEM strain maps of a palladium nanocube under one bar hydrogen at different temperatures

Following lattice expansion and relaxation under hydrogen. Literature example · Perxés Perich et al., Nano Letters (2025), Fig. 4 · Paper · CC BY 4.0

Semiconductors: from atomic interfaces to local properties

At a semiconductor interface, local bonding, defects, and strain can influence device behavior. We combine atomic-resolution imaging, DPC / iDPC, and monochromated EELS to connect these local features with electric fields and vibrational responses.

The aim is to identify where functional behavior originates and how processing changes it—providing a microscopic basis for interface engineering.

An interface may be only a few atomic layers thick, yet differences in atomic arrangement or local bonding can alter polarization and energy transport. We use structural imaging to locate these regions and spectroscopy or diffraction to examine their properties. The combination helps frame questions about how deposition, annealing, and interfacial reactions reshape the functional region of a device.

Structure and vibrations at interfaces

Atomic-resolution STEM of a hafnium-zirconium oxide ferroelectric capacitor

Identifying the atomic structure of a ferroelectric device. Literature example · Wang et al., Science (2023) · Paper

Spatially resolved vibrational EELS across a calcium titanate–strontium titanate interface

Resolving how lattice vibrations change at an interface. Literature example · Hoglund et al., Nature (2022), Fig. 3c–e · Paper · CC BY 4.0

Connecting materials questions with advanced microscopy

From catalyst activation to semiconductor interfaces, the question determines the experiment. We connect specimen preparation, imaging, diffraction, and spectroscopy around the same region to build a coherent view of material behavior.

Gas atmosphere, temperature, electron dose, and specimen preparation all shape what can be measured. We design observations around these conditions and connect complementary signals so that a visible change can be interpreted in its physical and chemical context. Collaboration begins with defining the reaction or interface that controls performance and selecting the information needed to understand it.

수소: 작동하는 촉매의 구조를 이해하다

촉매의 활성은 표면 구조와 주변 기체의 상호작용에 따라 달라집니다. 수소 생산과 연료전지 소재를 대상으로 입자의 구조 변화, 촉매–지지체 계면, 탄소 형성 과정을 분석합니다.

가스 분위기와 온도를 제어하는 Gas-cell 실험을 통해 청록수소 생산을 위한 메탄 열분해와 연료전지 촉매의 변화를 추적하는 연구를 추진합니다. 동적 이미징에 4D-STEM과 EELS를 결합하여 구조 변화가 변형률과 화학적 변화로 어떻게 이어지는지 밝히고자 합니다.

핵심 질문은 어떤 구조 변화가 활성화에 기여하고, 어떤 변화가 지속적인 열화로 이어지는가입니다. 입자의 형태 변화와 지지체와의 상호작용, 탄소의 축적을 반응 환경과 연결하고자 합니다. 조건을 바꾸며 같은 입자를 연속적으로 관찰하면, 반응 전후의 서로 다른 시편을 비교하는 분석에서 놓치기 쉬운 변화의 순서와 경로를 추적할 수 있습니다.

수소의 위치와 반응을 직접 읽는 분석

금속–수소화물 계면의 수소 원자열부터 기체 속 나노입자의 격자 변화까지, 첨단 전자현미경의 분석 가능성을 보여주는 문헌 사례입니다.

Ti–TiH 계면에서 HAADF, ABF, iDPC로 비교한 수소 원자열

iDPC-STEM으로 수소 원자열의 위치를 밝히다. 문헌 사례 · de Graaf et al., Science Advances (2020), Fig. 2 · Paper · CC BY-NC 4.0

1 bar 수소 분위기에서 온도에 따른 Pd 나노입자의 4D-STEM 변형률 지도

수소 흡수·방출에 따른 격자 팽창과 이완을 추적하다. 문헌 사례 · Perxés Perich et al., Nano Letters (2025), Fig. 4 · Paper · CC BY 4.0

반도체: 원자 단위 계면에서 국소 물성까지

반도체 계면에서는 국소 결합, 결함, 변형률이 소자의 거동에 영향을 줍니다. 원자 분해능 이미징, DPC / iDPC, monochromated EELS를 결합하여 계면의 구조적 특징을 전기장과 진동 특성에 연결합니다.

기능이 발현되는 위치와 공정에 따른 변화를 규명하고, 계면 설계를 위한 미시적 근거를 제시하는 것이 목표입니다.

수 원자층 두께의 계면에서도 원자 배열과 국소 결합의 차이는 분극과 에너지 전달에 영향을 줄 수 있습니다. 구조 이미징으로 변화가 집중되는 영역을 찾고, 분광·회절 분석으로 그 영역의 특성을 해석합니다. 이를 통해 증착과 열처리, 계면 반응이 소자의 기능 영역을 어떻게 바꾸는지 구체적인 미세구조 수준에서 질문하고 검증하고자 합니다.

계면의 원자 구조와 진동 특성

Hf–Zr 산화물 강유전체 소자의 원자 분해능 STEM 구조 분석

소자 안에서 강유전 상의 원자 배열을 규명하다. 문헌 사례 · Wang et al., Science (2023) · Paper

CaTiO3–SrTiO3 계면을 가로지르는 공간 분해 진동 EELS

계면에서 달라지는 원자의 진동을 분해하다. 문헌 사례 · Hoglund et al., Nature (2022), Fig. 3c–e · Paper · CC BY 4.0

소재의 질문에 맞춘 분석

촉매 활성화에서 반도체 계면까지, 연구 질문에 맞춰 시편 준비와 측정 방법을 설계합니다. 같은 영역의 이미징·회절·분광을 연결하여 소재의 구조와 기능을 통합적으로 이해합니다.

기체 분위기와 온도, 전자빔 조사량, 시편 준비 조건은 관찰할 수 있는 현상과 해석에 영향을 줍니다. 이 조건들을 고려해 실험을 설계하고, 서로 보완적인 신호를 연결하여 눈에 보이는 변화의 물리적·화학적 배경을 해석합니다. 공동연구에서는 성능을 좌우하는 반응과 계면을 먼저 정의하고, 그 원인을 이해하는 데 필요한 관찰과 측정을 함께 구성합니다.

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