다중 입자 Phonon은 감금 모델 라만 분광학을 이용하여 나노 결정 크기 분포의 특성

이 실험 절차의 전반적인 목적은 라만 분광법을 사용하여 나노입자의 크기 분포를 빠르고 신뢰할 수 있으며 비파괴적인 방식으로 결정하는 것입니다. 이를 위해 먼저 분석 대상 나노입자의 라만 스펙트럼을 획득합니다. 두 번째 단계에서는 측정 데이터를 분석하고 다중 입자 포논 가둠 모델(multi particle phon confinement model)을 사용하여 데이터 내의 하위 분포를 찾아냅니다.

다음으로, 적합 모델로부터 하위 분포의 평균 크기와 너비 계수를 결정합니다. 마지막 단계는 획득한 파라미터들을 사용하여 관심 대상인 나노입자의 실제 크기 분포를 결정하는 것입니다. 최종적으로, 라만 분광법을 통해 나노입자 크기 분포를 빠르고 신뢰할 수 있으며 비파괴적인 방식으로 결정할 수 있음을 보여줍니다.

투과 전자 현미경 및 X선 회절과 같은 기존 방법과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은 라만 분광법이 비파괴적인 방식으로 빠르고 신뢰할 수 있는 결과를 제공하며, 대부분의 실험실에서 즉시 사용할 수 있다는 점입니다. 먼저 관심 있는 나노 결정을 합성하십시오. 플라스마 강화 화학 기상 증착법을 사용하여 유리 기판 위에 실리콘 나노 결정을 증착하십시오.

본 과정에서는 약 2에서 120 nm 크기의 실리콘 나노 결정(silicon nano crystals)을 합성하며, 이는 2~10 nm 및 40~120 nm 범위의 이봉 분포(bimodal distribution)를 나타냅니다. 다음으로, 라만 분광법(raman spectroscopy) 장치의 레이저를 켜고 레이저 강도가 안정화될 수 있도록 약 15분 동안 예열합니다. 작동 중인 레이저의 원치 않는 조명으로부터 안전을 확보하기 위해, 문을 열기 전 레이저와 활성 표시등이 꺼져 있는지 확인하십시오. 그 후 도어 버튼을 누릅니다.

측정 챔버의 문을 열고 개방합니다. 시료 홀더 스테이지 위에 시료를 놓습니다. 50x 대물렌즈를 선택하고 나노 결정 분말의 표면에 초점을 맞춥니다.

그런 다음 측정 챔버의 문을 닫으십시오. 이어서 셔터 아웃(shutter out) 버튼을 클릭하여 셔터를 제거합니다. 이제 실시간 이미지에서 레이저 표시등은 녹색으로 깜빡이고 활성(active) 표시등은 빨간색으로 깜빡여야 합니다.

라이브 이미지에서 레이저 스폿이 가장 작게 보일 때까지 휠 조작기를 사용하여 샘플의 초점을 조정합니다. 그런 다음 측정 툴바에서 새로운 스펙트럼 획득(spectral acquisition) 옵션을 선택하십시오. 팝업 창에서 측정 범위를 150에서 700 inverse centimeters 사이로 설정합니다. 측정 시간은 30 seconds, 총 획득 횟수는 2회로 설정하고, 레이저 출력 백분율은 25 milliwatt 레이저 기준으로 0.5%로 설정하십시오.

다음으로, 메뉴 바의 획득 시작 버튼을 클릭하여 측정을 시작합니다. 측정이 완료되면 셔터 닫기 버튼을 클릭하여 셔터를 닫고, 데이터를 A WXD 파일과 TXT 파일로 각각 저장합니다. 텍스트 파일은 실험 데이터 분석에 사용됩니다.

레이저와 액티브 라이트가 꺼져 있는지 확인하십시오. 그런 다음 도어 릴리즈 버튼을 누르고 측정 챔버의 문을 엽니다. 이후 이 과정을 반복하여 나노 물질의 벌크 기준물을 측정하십시오.

벌크 재료의 피크 위치에서 얻은 기준 시료를 사용하여 상대적 이동을 추정합니다. 데이터를 플롯하기 전에 먼저 나노 Krystal 측정값과 벌크 기준값의 측정 텍스트 파일을 엽니다. 큐빅 스플라인(cubics, spline)을 사용하여 데이터를 평활화하고, 가장 높은 피크 위치에서 데이터 값이 1이 되도록 정규화합니다.

상대적인 피크 이동을 효과적으로 비교하기 위해, 실리콘 나노 결정과 기준 실리콘 데이터를 그래프로 그립니다. 기준 실리콘의 피크 위치를 결정하고, 실제 피크 위치인 521 inverse centimeters로부터 이동이 발생했다면 그 양을 추정합니다. 그런 다음 공정 처리된 실리콘 나노 결정 데이터를 TXT 파일로 저장합니다.

그 다음, 피팅 절차를 시작합니다. 여기에 표시된 피팅 함수를 Mathematica와 같은 분석 프로그램에 입력하십시오. 왜도(skewness)의 구간은 0.1에서 1.0 사이로, 평균 크기 구간은 2 nm에서 20 nm 사이로 설정하십시오. 피팅 절차를 위해, 먼저 정규화 및 보정된 데이터를 비선형 피팅 모델의 입력값으로 가져옵니다.

import 명령어를 사용하여 shift와 enter를 눌러 피팅 과정을 수행합니다. 그 후, 얻어진 평균 크기와 왜도 값을 여기에 표시된 사전 정의된 일반 분포 함수에 삽입합니다. 마지막으로, 여기에 표시된 크기 분포 식을 강조 표시하고, plot 명령어를 사용하여 분포의 하한 및 상한 값을 2에서 15 nanometers로 설정하여 크기 분포를 도식화합니다.

여기에 표시된 시료의 입자들은 투과 전자 현미경을 통해 측정되었으며, 나노입자의 바이모달(bimodal) 크기 분포를 갖는 것으로 확인되었습니다. 작은 나노입자의 크기는 2에서 10 nm 사이였으며, 큰 나노입자의 크기는 40에서 120 nm 사이였습니다. 라만 스펙트럼 분석 결과, 작은 입자들의 크기 분포가 실제로 2에서 10 nm 범위에 있음이 밝혀졌습니다.

분포는 평균 크기가 4.2 nanometers이고 왜도가 0.27인 로그 정규 분포인 것으로 나타났습니다. 라만 분광법은 두 가지 서로 다른 유량의 실란을 사용하여 형성된 실리콘 나노입자의 미세한 크기 차이를 측정하는 데 이상적인 방법입니다. 유량을 3 standard cubic centimeters per second에서 10으로 증가시키자 평균 입자 직경은 감소했고 왜도는 약간 증가했습니다. 이 기술을 숙달하면 적절하게 수행했을 때 단 몇 분 만에 완료할 수 있습니다.