Raman spectroscopy (Mapping)

원리 -> 설명 불필요

목적, 활용 -> 궁금함

장비구조 -> 매핑을 진행할 때 장비의 시퀀스가 어떤 구조로 되어있는지 궁금

라만 분광법이란? 

그래서 라만 산란이 뭔데?

빛이 물질에 입사하면 대부분의 빛은 에너지 변화가 없는 레일리 산란을 한다. 하지만 "극히 일부의 빛(1/100000000 of the scattered photons)은 입사한 빛과 다른 에너지 상태의 빛으로 산란되게 되는데 이러한 산란을 raman scattering 이라고 한다. "

* 산란 : 빛이 입자와 상호작용한 후 사방으로 퍼져나가는 현상

분자를 구성하는 여러 원자들은 각각의 고유한 에너지 준위(energy state)를 가지고 있는데 이러한 원자들은 특정 에너지 밴드를 가지고 있다. 

여기서 에너지 밴드(Energy diagram)은 원자 물질을 구성하고 있는 전자가 가질 수 있는 에너지 값을 의미한다. 학창시절에 conduction band와 energy band 배웠던 거 기억나지? 

물질은 원자들의 결합인 분자로 구성되어 있기도 하고 여러 종류의 분자들로도 구성되어 있어. 그럼 각 원자들이 형성하는 에너지 밴드들이 엄청 많이 중첩되겠지? 이렇게 중첩되면 새로운 중첩된 에너지 밴드(supercomposed energy band)가 형성돼. 이 밴드에서 비어있는 공간은 전자가 존재할 수 없는 상태인거야. 

이 때 물질에 다양한 에너지 상태가 혼용된  빛(예를 들어 자연 태양광)을 쏴준다고 생각해봐. 레이저 같이 특별하게 인간이 조절해서 단일 파장에다 단일한 마루 골을 가진 특수한 경우 아니면 대부분의 빛은 여러 에너지 상태의 광자들로 이루어져있어. 이렇게 입사된 빛 중 중첩된 에너지 밴드에서 비어있는 공간에 딱 들어맞는 특정 에너지의 광자가 입사될 경우 분자들은 더 높은 상태의 에너지를 가질 수 있게 돼. 즉, 진동하게 되는 거지 !! 

에너지 보존 법칙 알지? 분자들이 더 높은 상태의 에너지를 얻게 되면 어떻게 되겠어? 한 쪽은 잃어야겠지? 그럼 뭐야... 그 특정 에너지의 광자들이 에너지를 전달하고 그 놈들은 에너지를 잃겠지. 

이 때!! 에너지를 잃은 그  산란된 광자들을 raman scattered 된 광자라고 보면 돼. 다시 첫문단 읽어봐. 

"극히 일부의 빛(1/100000000 of the scattered photons)은 입사한 빛과 다른 에너지 상태의 빛으로 산란되게 되는데 이러한 산란을 raman scattering 이라고 한다. "

자!! 이제 이해가 가지? 여기서 말하는 극히 일부의 빛은 특정 에너지로 입사해서 에너지를 잃게된 산란된 광자들인거야.

그래서 라만 분광기 어따 쓰는데? 

자 위의 라만 분광을 읽어봤다면 느낌이 왔겠지만, 물질과 반응하여 에너지를 잃은 산란된 광자들은 입사한 빛과 다른 에너지를 가지고 있어. 특정한 물질은 그 물질을 구성하고 있는 원자들 분자들의 종류 혹은 그 결합 상태에 따라 다른 에너지  + 다른 intensity 의 라만 산란을 하게 돼. 

(사용 목적)

라만 산란 값을 측정하면 물질을 구성하는 성분의 변화 유무, 특정 물질의 비율, 어떤 crystalline 인지 등을 알 수 있어.

XRD, XPS 도 마찬가지지만 (사실 난 3개 해봣어 XRD, EDS-XPS, Raman) 이 pattern 만으론 특정 물질이 들어있다! 라고 그 누구도 절대절대 단정짓지는 못해. 세상에 수많은 물질들이 있는데 비슷한 위치에 peak 이 충분히 나올 수 있거든. 그래서 측정 데이터를 가지고 Raman peak이라고 안부르고 pattern  혹은 지문이라고 부르는거야. 어디가서 데이터 들고가서 peak이라고 말하면 까칠한 사람들이 지적할거라구? peaks로 이루어진 전체적인 형태가 중요한거니 말이야. 보통은 대조군 물질들이 있고 그 물질을 기준으로 pattern의 차이를 확인해서 아 특정 물질의 비율이 줄었구나 혹은 성질이 변했구나, 결정성이 감소했구나 라고 판단하는거야.

장비마다 사용목적이 조금 다른데 일단 난 XRD랑 Raman 두개만 해봤으니.. XRD는 ground state로부터 넓은 범위의 energy state를 볼 수 있기 때문에 물질의 crystal structure를 확인하기에 용이해. Raman은 ground state와 가까운 energy state를 볼 수 있기 때문에 상대적으로 분자의 진동을 보기에 용이한 편이야.

따라서 일반적으로 무기물의 bulk 물질 분석은 XRD를 사용하고 유기물의 화학적 분석을 사용할 때 라만 측정을 사용해! 아 라만으로 무기물 금속 측정 못한다는건 절대 절대 아니야. 일반적인 경우를 말하는거지. 실제로도 라만 alignment는 copper 같은 단일 crystalline 물질로 하니까 말이야. 그래야 peak 하나가 크고 잘 나오거든. 

일반적으로 유기물 화학 분석을 하다보니 그 pattern이 일정하지도 않고 결정성이 무기물에 비해 약하다 보니 peak도 약해. 

그래서 다음과 같은 방법을 사용해서 보고자 하는 peak을 더 강하게 만들 수 있어. 

1. green diode 532 nm의 강한 파장을 써줌. (통상적으로 가장 강함)

2. 단일파장의 intensity를 증가시킴 (power에 변화를 줌.  0.5 mW ~ 500 mW  까지 조정해봤던 것 같음)

3. 여러번 반복해서 측정해서 데이터를 중첩시킴. (accumulation, 단점은 모든 데이터들이 합해져서 background 값 자체가 매우 커짐)

고려해야할 사항 : 측정 샘플의 두께

Mapping 할 때 sequence는 어떻게 되고 장비는 대충 어떤 구조로 되어있어?