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문제 정의
- sp2결합 탄소화합물 중 상대적으로 가장 심도있게 연구되어 왔으며, 현재 활발히 진행되고 있는 그래핀 연구에 바탕이 되고 있는 탄소나노튜브의 에너지 구조 및 광학적 특성 연구에 새로운 접근법을 제공하고 있는 결맞는 포논 연구에 관하여 살펴보자. 결맞는 포논 연구는 기본적으로 선폭이 넓고 펄스폭이 매우 짧은 광원을 사용한다.
- 이 글에서는 탄소나노튜브와 그래핀에서 독특한 전자 구조특성과 이를 규명하기 위한 분광학적 특성, 즉 에너지 구조를 규명하기 위한 형광 특성과 저차원계에서 두드러진 강한 격자-전자(엑시톤) 상호 결합을 통한 형상 (chirality) 구조 분석 등의 광학적 특성을 다루고자 한다. 일반적으로 나노소재 특성을 분석하기 위해서는 크게 현미경법 (x선, 주사터널링, 투과 및 주사전자 등)과 레이저 광원을 이용한 분광법으로 나눌 수 있다.
- 현재 티타늄 사파이어 공진기만 으로 이와 같은 펄스폭을 발생시키는 것은 힘든 도전일수 있겠지만, 탄소나노튜브나 그래핀과 같은 나노소재에서 강한 전자-포논 결합으로 3000cm-1 이내에서 발생되는 Kohn Anomaly 격자진동, 결함에 의해 활성되는 G', G'' 모드 격자진동, 화학적 도핑에 의한 G 모드 격자진동 변화 등을 실시간으로 시간영역에서 관측할 수 있을 것으로 기대한다. 이 글에서는 펨토초 펄스를 이용하여 탄소나노튜브와 그래핀의 격자 진동과 전자 동역학을 탐구하는 분야에 대하여 저자들이 관심 있는 주제를 중심으로 기술하였다.
- 이에 근 적외선 파장(1000nm 이상) 대역에서 작동되는 광원이나 측정 라만 장치는 매우 드물어, 탄소나노튜브의 가장 낮은 공명 에너지 띠 E11에 관한 연구가 거의 이루어져 있지 않다. 최근 이 파장대역에서 수행된 결맞는 포논 연구를 살펴보자. 사용된 광원은 이득물질로서 PPNL(Periodically poled lithium niobate) 결정을 이용한 캐버티 덤핑형 광파라메트릭 공진기를 사용하였다.
- 탄소나노튜브는 그래핀을 튜브형태로 감은 형태이므로 먼저 그래핀의 에너지 구조를 살펴보자. 벌집 (honeycomb) 모양의 구조에서 각 탄소 원자들은 주변 원자들과 다이아몬드만큼 강한 공유 결합으로 연결되어 있고, 한 개의 탄소원자 당 한 개의 미결합 π전자들을 가지고 있어 이들이 그래핀의 2차원 구조를 자유롭게 돌아다니며 구리보다도 100배나 큰 108 A/cm2의 전류 밀도를 가능하게 한다.
- 단일층 그래핀의 경우 모멘텀 공간 내 K 기점에서 교차 하는 직선의 에너지 분산 특성을 가지지만 그래핀 물질의 층수가 커지게 되면 이에 따라 전자 구조도 달라지게 된다. 펨토초 레이저를 이용한 시분해 방법으로 단일층 그래핀과 다층 그래핀의 전자구조 차이가 전자 동역학 결과에 미치는 영향을 소개하고자 한다. 티타늄 사파이어 레이저에서 발진되는 800 nm 부근의 펨토초 펄스를 이용하여 그래핀의 가전도대와 전도대에 각각 정공과 자유전자 여기자를 생성하면, 높은 에너지의 여기자들은 에너지가 낮은 디락점으로 이완하는 과정을 거쳐 전자와 정공이 결합하는 재결합 과정이 일어난다.
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