개인 학습용으로 정리한 내용임.
Rayleigh scattering, Raman scattering 원리 및 spectrum이 의미하는 것
양양~Jista입니다! 오랜만에 공대 대학원 지식을 들고왔어요. 사실 쓸까쓸까하다가 누구 보는 사람도 없어서 미루다가 드디어 정리하네요. 오늘 설명해볼 것은 Raman scattering과 raman spectroscopy로 측
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Raman scattering(라만 산란, 비탄성 산란) → 현상
: 산란된 빛 중 원래의 에너지를 잃거나 에너지를 얻으면서 비탄성 산란되는 것. 간단히 뭔가가 원자랑 부딪혀서 사방으로 튀는 것. 레이져가 들어와 빛으로 산란되는 것.
▶ 입사한 레이져와 방출된 빛의 에너지가 다를 경우 모두 라만 산란에 해당됨. 이 때 에너지가 낮아지며 달라진 경우 stokes(원자에게 힘을 넘겨서 빛의 파장이 길어지고 에너지가 더 약해짐), 반대로 에너지가 높아지며 달라진 경우 anti-stokes(원자와 부딪혔을 때 원자로부터 힘을 얻어 빛의 파장이 짧아지고 에너지가 더 쎄짐)임. 이처럼 어떤 광자는 방출될 때 강해지고, 어떤 광자는 방출될 때 약해짐.
BUT 입사한 레이져와 튕겨져 나간 빛의 에너지가 같을 경우 레일리 산란(Rayleigh scattering)에 해당됨. 산란 중 99.9%가 레일리 산란이며, 라만 산란은 0.1%도 되지 않음. 레이져를 쏴도 웬만한 것들을 원자 따위에 영향을 받지 않기 때문.
cf) 레이져와 빛의 차이
○ 레이져: 단일 파장의 빛 → 보통 라만 측정을 위해 사용하는 레이져의 파장은 λ = 532nm으로 눈에 보이는 파장 영역(가시광선 영역 = 400 ~ 700nm)임.
○ 빛: 온갖 파장이 다 있음. 모든 파장의 레이져가 합쳐진 느낌. 400nm, 401nm, 402nm, ... , 700nm의 레이져들이 합쳐진 것. 그 외에도 적외선 영역이나 UV 영역도 포함된, 모든 파장의 합 느낌.
cf) 산란(scattering)
: 뭔가가 원자랑 부딪혀서 사방으로 튀는 현상. random하게 사방으로 튐. BUT 만약 랜덤하지 않으면 회절(diffraction).
cf) 회절(diffraction)
: 대표적인 파동 현상 중의 하나로, 음파, 전파, 광파 등이 장애물이나 좁은 틈을 통과할 때, 파동이 그 뒤편(그림자 부분)까지 전파하는 현상. 회절의 정도는 틈의 크기와 파장의 영향을 받음.
cf) 비탄성 산란(inelastic scattering)
: 입사 입자가 전자이든지, 광자이든지 또는 중성자들이든지 간에 또는 분자 충돌이든지 간에 입사 입자의 운동 에너지가 보존되지 않는 기본적인 산란 과정
Raman spectroscopy → 측정 기기
: 비탄성 산란을 이용하여 분자 구조에 대한 정보를 얻는 기기. raman scattering을 이용해서 원자를 분석하는 기기.
원자의 진동수에 맞춰 특정 파장대의 빛이 많이 방출되면 이 빛을 raman spectroscopy가 모아서 통계학적으로 그래프를 만들어줌.
▶ 레이져를 원자와 교류시키고, 원자가 방출한 빛을 분석함으로써 해당 물질이 어떤 물질인지, stress를 받고 있는지, 결정성이 좋은지, 원자의 개수는 얼만지, 부분적으로 혹은 전체적으로 다른 결정구조가 생겼는지 등을 파악할 수 있음.
Raman spectrum → 그래프
: raman spectroscopy의 측정을 통해 얻은 그래프. 라만 스펙트럼을 보면 이 원자가 어떤 원자인지 알 수 있음.
※ 라만 스펙트럼을 통해 어떤 물질인지 확인하는 순서
① 물질에 레이져를 쏨
② 튕겨져 나오는 빛들을 raman spectroscopy를 통해 감지
③ 이 빛들을 그래프로 통계 내림 (x축은 진동수(raman shift), y축은 intensity)
④ 그래프를 확인하여 특정 진동수(파장)에서 intensity가 높은 것을 확인
ex) 실리콘은 520의 진동수를 가질 때 intensity가 높음
⑤ 과학자들이 물질별로 라만 결과를 공유해놓은 그래프를 확인하여 측정한 그래프와 같은 경향성을 띄는 그래프를 찾음
⑥ 해당 그래프가 무슨 물질의 그래프인지 확인
▶ 원자는 각각 고유의 진동수를 가짐. 그리하여 raman scattering이 일어난 빛을 분석하면 특정 진동수에서 앞도적으로 높은 intensity(라만 산란된 빛(에너지가 달라진 광자) 중 특정 진동수의 빛이 얼마나 많은지)가 나옴.
라만 결과값에 영향을 미치는 것들
: 라만 결과값에 원자의 고유 진동수만 영향을 끼치는 것이 아님. 원자의 고유진동수는 다양한 요인에 영향을 받음. 이 영향은 라만 스펙트럼 모양에 고스란히 반영됨.
-stress → 진동수의 변화 → peak의 위치 변화(아주 미세하게(5~10) 변함) → 해당 물질의 intensity가 다른 진동수에서 높은 intensity를 가진 것으로 달라짐
-원자의 개수 증가 → 라만 산란이 일어난 광자(빛)의 수가 늘어남 → intensity가 커짐 → 원자의 농도가 강해짐
-원자의 결정성(결정(원자의 배열이 공간적으로 반복된 패턴을 이루는 물질)을 이루는 부분의 비율)이 안 좋아지면 → 무질서로 인하여 원자 간 간격 변화 + 진동방향 변화 → intensity 낮아짐 → 그래프가 퍼짐 →peak의 width가 커짐 → peak의 위치도 변함
-원자의 결정구조가 완전히 달라지면 → peak의 위치가 아예 새롭게 나옴 → 즉 새로운 결정구조를 가진 물질이 나타난 것
라만 스펙트럼을 위한 data augmentation은?
라만 스펙트럼을 늘리거나 자르거나 반전시키거나 하는 식으로 하나의 라만 스펙트럼을 여러 개의 스펙트럼으로 augmentation시키는 것으로 예상.
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