광역 광학 분광 분석 장비의 설계 및 구축과 이를 활용한 2차원 물질의 분석

Abstract

본 논문에서는 광역 광학 분광 분석 장비를 설계 및 구축하고, 이를 활용해 2차원 물질을 분석한다. 광역 광학 분광 분석은 기존 다른 분석 방법과 비교해 쉬운 시료 준비 과정, 빠른 측정을 통한 높은 시간 분해능, 수백 나노미터 수준의 공간 분해능의 장점을 가져 기존에는 확인하지 못했던 실시간 분광학적 공간 정보를 측정할 수 있다. 본 논문에서 설계한 장비는 광원 측면에서는 다양한 파장을 쉽게 채택하거나 여러 개의 파장을 동시에 조사하는 다광자 분석이 가능하고, 분석 기법 측면에서는 이미징용 필터를 활용해 광발광 분석, 라만 분석, 이차 고조파 생성 분석 등을 수행할 수 있으며, 편광 필터를 추가해 편광 분석 또한 가능해 높은 확장성을 가지고 있다. 설계를 기반으로 구축된 장비는 이황화 몰리브덴(MoS$_2$)와 이셀렌화 몰리브덴(MoSe$_2$)의 광발광 분석으로 작동을 검증하였다. 이후 광역 광학 분광 분석이 가진 장점을 기반으로 기존에는 확인하지 못했던 다양한 현상을 관찰하였다. 대표적인 예시는 빛 조사에 따른 MoSe$_2$의 특성 저하 현상이다. 3초의 시간 간격에 따라 광역 광발광 분석을 수행한 결과 결정의 중앙 부분부터 특성 저하가 발생하는 것을 확인하였으며, 이는 기존 분석 방법을 통해 관찰하지 못했던 현상이다. 또, MoS$_2$/MoSe$_2$가 450 나노미터의 간격으로 번갈아 나타나는 수평 초격자의 MoS$_2$ 광발광 분석에서는 갈라진 부메랑 모양의 패턴이 관찰되었다. 이는 MoS$_2$와 MoSe$_2$의 격자 불일치에 의해 유도되는 주기적인 변형률의 증거가 될 것으로 예상된다. 이 두 가지 예시는 기존의 마이크로 분광 분석에서는 측정할 수 없었던 새로운 현상으로, 향후 광역 광학 분석 장비는 이러한 독특한 현상을 이해하는 데 필요한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.