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초저주파수(<100 cm-1) 라만 분광법은 일반적인 라만 분광법과 다르게 분자 간 혹은 격자의 전체적인 골격 진동을 선택적으로 측정하는 분석법이다. 최근 여러 재료 화학분야에서 낮은 주파수에 해당하는 분자간의 전체적 진동 움직임의 중요성이 강조되고 있다. 하지만 초저주파수 라만 분석에는 더욱 정밀하며 고가인 광학 장치가 필요한데, 이는 레일리(Rayleigh) 산란과 1/f 바탕 신호 제거에 많은 어려움이 존재하기 때문이다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 27 cm-1 수준의 초저주파수 측정을 위한 작고 경제적인 라만 분광기를 자체적으로 개발하였으며 이를 이용하여 혼성 유-무기 페로브스카이트 태양전지의 라만 분광 ...

초저주파수(<100 cm-1) 라만 분광법은 일반적인 라만 분광법과 다르게 분자 간 혹은 격자의 전체적인 골격 진동을 선택적으로 측정하는 분석법이다. 최근 여러 재료 화학분야에서 낮은 주파수에 해당하는 분자간의 전체적 진동 움직임의 중요성이 강조되고 있다. 하지만 초저주파수 라만 분석에는 더욱 정밀하며 고가인 광학 장치가 필요한데, 이는 레일리(Rayleigh) 산란과 1/f 바탕 신호 제거에 많은 어려움이 존재하기 때문이다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 27 cm-1 수준의 초저주파수 측정을 위한 작고 경제적인 라만 분광기를 자체적으로 개발하였으며 이를 이용하여 혼성 유-무기 페로브스카이트 태양전지의 라만 분광 구조 분석을 진행하였다.
최근 formamidinium lead iodide (FAPbI3)에 미량의 methylammonium lead bromide (MAPbBr3)을 추가하여 효율과 안정성이 증가하는 것이 알려졌다. 이 현상에 대한 물리화학적 메커니즘 연구를 위해 본 연구에서는 조성에 따른 (FAPbI3)1-x(MAPbBr3)x (x=0, 0.008, 0.025, 0.1)에 대한 발광 지도와 초저주파수 라만 분광 분석을 진행하여 구조와 재료 특성 간의 상관 관계를 알아 보았다. 먼저 발광 지도 분석을 통해 (FAPbI3)0.992(MAPbBr3)0.008 시료가 가장 균일한 광 발광 세기 특성을 나타내며, 이보다 더 많은 MAPbBr3가 첨가될수록 형광 세기의 균일성이 감소하는 것을 확인하였다. 특히, (FAPbI3)0.9(MAPbBr3)0.1은 위치에 따른 형광 세기가 매우 불균일했다. 하지만 네 가지 시료에서 모두 밴드갭 에너지는 변하지 않으므로 들뜬 상태의 비복사감쇠가 MAPbBr3조성이 큰 시료에서 크게 나타난다고 볼 수 있다. 이러한 비복사감쇠는 전하-운반자 이동거리 감소에 의한 태양전지 광 전환 효율의 감소를 유발하게 된다.
초저주파수 라만을 이용하여 조성에 따른 미세 구조의 변화를 측정하였다. FAPbI3 시료는 28과 36 cm-1에서 Pb-I 굽힘 움직임과 64, 82 cm-1에서 Pb-I 신축 진동이, 100, 114 cm-1에서 Pb-I와 FA가 혼합된 진동 및 140 cm-1에서 FA 진동이 나타난다. 하지만 미량의 0.008 MAPbBr3가 첨가됨에 따라 기존의 FAPbI3의 라만 피크 대신 50과 60 cm-1근처에서 새로운 라만 피크가 나타나고, Pb-I 신축 진동 방식이 적색 이동하게 된다. 그리고 MAPbBr3함량이 더욱 증가함에 따라 140 cm-1의 FA 진동 방식에 해당하는 라만 세기가 강하게 나타난다. 그러므로 본 실험을 통해, 미량의 MAPbBr3의 첨가가 FAPbI3의 무기 구조체의 라만 특성에 영향을 미치지만 발광 밴드갭에너지를 변화시키지 못한다는 사실을 알 수 있다. 뿐만 아니라 MAPbBr3 함량이 높을수록 나타나는 140 cm-1에서 나타나는 유기물의 진동 모드의 활성이 광 전환 효율로 연결되어 있을 것으로 생각된다.
본 연구에서는 현장에서 간편하게 측정이 가능한 휴대형 다중 채널 광섬유 기반 형광 측정 장치 개발을 진행하였다. 휴대성과 더불어 우수한 측정 감도를 위해 LED 다중 광원(470 nm)을 미세 유체칩에 밀착시켜 형광을 발생시키며, 형광의 손실을 최소화하는 3cm의 짧은 초점거리를 가진 색지움이중렌즈 사용, 고효율 밴드 패스(bandpass)필터 등을 이용하여 측정 광학 경로를 간소화하였다. 뿐만 아니라 유체칩 내 다수 시료의 형광을 다중 채널 광섬유를 이용하여 동시에 측정 가능하다. Rhodamine6G와 fluorescein amidites(FAM) 염료의 형광을 측정하였을 때 본 장치의 측정 한계 농도는 25 nM 이다. 또한 광학계의 형광 선형 응답성과 실험의 재현성을 확인하였으며, 본 형광 측정기 개발 연구는 ‘특허-2020-0105238’로서 출원되어 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The ultra-low frequency (<100 cm-1) Raman spectroscopy can selectively measure overall skeletal vibrations between molecules and lattices, in contrast to regular Raman spectroscopies. Recently, skeletal vibrational motions at low frequencies play significant roles in material chemistries. However, s...

The ultra-low frequency (<100 cm-1) Raman spectroscopy can selectively measure overall skeletal vibrations between molecules and lattices, in contrast to regular Raman spectroscopies. Recently, skeletal vibrational motions at low frequencies play significant roles in material chemistries. However, since it is difficult to remove Rayleigh scatterings and the 1/f backgrounds, the ultra-low frequency Raman analysis requires a more precise and expensive optical systems. Thus, in this study, I have developed a compact and relatively inexpensive Raman measurement apparatus to detect ultra-low frequency below 27 cm-1 and study Raman structural analyses of hybrid organic-inorganic perovskite solar cells.
Recently methylammonium lead bromide (MAPbBr3)-added formamidinium lead iodide (FAPbI3) solar cells have shown increased photovoltaic efficiencies and stabilities. In order to study these phys-chemical mechanisms, we have performed photoluminescence (PL) mapping and ultra-low frequency Raman spectroscopy of the (FAPbI3) 1-x (MAPbBr3) x (x = 0, 0.008, 0.025, and 0.1). My PL mapping analysis has shown that (FAPbI3)0.992(MAPbBr3)0.008 has the highest homogeneity of PL intensities and (FAPbI3)0.9(MAPbBr3)0.1 shows the lowest PL homogeneity. The higher MAPbBr3 ratios (0.025 and 0.1) decrease the PL homogeneity. However, all the samples have nearly identical PL bandgap energies, indicating that faster non-radiative decays are more effective in the greater MAPbBr3 compositions. This results in the reduction of the photovoltaic efficiency due to reduced charge-carrier distances.
I have measured ultra-low frequency Raman to study the microstructures with the MAPBr3 compositions. FAPbI3 has the Pb-I bending motion at 28 and 36 cm-1, the Pb-I stretching motions at 64 and 82 cm-1, and Pb-I+FA mixed motions at 100 and 114 cm-1. The FA vibrational peak is at 140 cm-1. However, as adding MAPbBr3, new Raman peaks are found at around 50 and 60 cm-1 compared to the Raman peaks of FAPbI3, and the Pb-I stretching vibrations are red-shifted. We also have found that the Raman intensity at 140 cm-1 (FA vibration) enhanced in the greater MAPbBr3 ratios. Thus, my study shows that the small MAPbBr3 additions significantly affect the Raman characteristics and PL intensities of FAPbI3 and but does not lead to the PL band gap energy changes. Also, it is suggested that the activation of the organic vibrational mode at 140 cm-1 is correlated to photovoltaic efficiencies.
I also have developed a portable multi-channel optical fiber-based fluorometer for instant point-of-cares. A multiple blue LED chip assay is contacted to a target microfluidic chip and excites samples in the channels directly. I also have used a short focal distance lens and a high efficiency notch filter to minimize the loss of fluorescence. In addition, the multi-channel optical fibers are used to measure multiple samples simultaneously. Fluorescence of Rhodamine 6G and fluorescein amidities (FAM) dyes were tested and the detection limit concentration is to be 25 nM. We have confirmed the fluorescence intensities against concentrations are linear and the measurement reproducibility.

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