빠르게 변하는 현대 과학기술, 특히 그 중에서 과학의 중심이라 불리는 학문이 바로 화학이다. 그리고 과학이 화학, 물리, 생물, 지구과학 등 여러 분야로 나뉘었듯이, 화학 역시 물리화학, 분석화학, 유기화학, 고분자화학, 무기화학, 생화학 등 여러 분야로 나뉘었다. 그 중에서 우리 나노 물리화학 연구실 (Nano Physical Chemistry Laboratory, NPC lab)은 이름에서도 알 수 있듯이 나노 크기 (10-9)의 입자의 물리화학적 성질을 레이저를 이용하여 연구한다.
2. Introduction
분광학이란?
우리 실험실에서 이용하는 학문인 분광학 (Spectroscopy)에 대하여 간략하게 설명하자면, 분자는 에너지를 받게되면 바닥상태 (Ground state)에서 여기상태 (Excited state)로 들뜨게 된다. 여기상태는 바닥상태에 비해 불안정하므로 여기상태로 올라가서 불안정해진 전자는 다시 안정한 바닥상태로 떨어진다. 이때 에너지를 방출하는데, 주로 빛의 형태로 방출한다. 물질에 따라서 양자화된 에너지 준위가 다르므로 떨어질 때 방출하는 에너지 즉, 빛의 파장도 물질에 따라서 다르고, 전자가 여기상태에서 바닥상태로 떨어지는 속도 또한 다르다. 우리 실험실에서는 응축상 (condensed phase)의 시료에 레이저를 조사시켜 에너지를 주고 시료에서 나오는 빛을 모아 분석하여 물질의 물리적, 화학적 특성을 알아내고 있다.
3. Experimental devices
Laser(Light amplification by stimulated emission radiation)
단파장의 빛 (에너지)를 주어서 샘플을 여기 시켜주는 장치. 우리 실험실에는 두 가지의 Solid State Laser와 한가지의 Gas Laser, 총 세 가지의 레이저가 있다.
Modelocked Ti:Sapphire femtosecond laser
Titanium이 도핑된 Sapphire를 매질을 사용한 레이저로 파장 700-900 nm, pulse width 150 fs, Repetition rate 76 MHz의 레이저를 내보내고 Cavity dumper를 통해 Repetition rate를 조절 할 수 있다. Mode-locking 기술을 이용하여 펨토초의 극초단 펄스를 만들어낸다.
Nd:YAG laser
Neodymium이 도핑된 Yittrium Aluminum garnet (Y3Al5O12)을 매질을 사용한 레이저로 파장1064 nm, Pulse width 5-7 ns, Repetition rate 20 Hz의 레이저를 내보낸다. Second, Third, Fourth harmonic generation을 통해 각각 532 nm, 355 nm, 266 nm로 파장을 바꿀 수 있다.
HeNe laser
He과 Ne에 5:1에서 20:1정도의 비율을 가진 혼합기체를 매질로 사용한 레이저로 632.8 nm 파장의 레이저를 내보낸다.
Monochromator
Grating 표면에서 회절에 의한 분산이 일어나고 이를 이용하여 원하는 단일 파장만 선택할 수 있다.
Photo Multiplier Tube (PMT)
광전효과를 이용하여 빛을 전기신호로 바꾸고, 증폭시킨다.
185–820 nm 의 파장대의 광신호를 검출하고, PicoHarp와 연결되어 TCSPC (Time-correlated single photon counting)를 볼 수 있는 PMT가 있고, 190-900 nm 의 파장대의 광신호를 검출하고, Monochromator와 연결되어 Photoluminescence를 볼 수 있는 PMT 가 있다.
Charge-Coupled Device (CCD)
반도체의 한 광다이오드 (픽셀)이 빛에 노출되었을 때 전하가 생성되고, 역으로 이 전하를 측정함으로써 빛의 세기를 검출한다. 이런 광다이오드 일렬로 여러 개를 사용하여 한 줄씩 검출한다.
Microscope
두 렌즈를 이용하여 샘플의 표면을 확대해서 보여준다. (접안렌즈: 10X, 대물렌즈 10X, 40X, 60X)
고배율의 대물렌즈를 이용하여 레이저 빔과 샘플의 방출 빛의 직경을 작게 만들어준다.
Cryostat
펌프를 통해 진공(5 × 10-4 Torr)을 만들어 주고, 녹는점이 가장 낮은 물질인 He을 저온화시켜 순환시키면서 저온 (최저 10K)을 만들어 줄 수 있는 장치.
Oscilloscope
레이저 안에 있는 검출기와 연결되어 레이저의 signal을 보여주는 장치
Chopper
구멍이 뚤려있는 원판으로 전기적으로 일정한 속도로 회전하면서 빛을 통과시켰다가 막으면서 연속파를 펄스로 바꾼다.
Lock-in-amplifier
신호를 증폭시키고, chopper와 연결되어 signal과 background차이를 이용하여 원하는 샘플의 신호만 얻는다.
X-Y stage (나노포지셔닝 시스템)
X축,Y축 2차원 평면을 수 나노미터 간격으로 움직이게 해주는 시스템.