Raman 측정에 의한 육방정계 Si 단결정의 상 변화 특성 해석

김경화, 이강석, 안형수 등, New Physics: Sae Mulli 71, 827 (2021).

▲육방정계 Si 단일 시료에서의 라만 측정.(론스달라이트 구조에서의 라만 모드, 육방정계 Si의 라만 특성, 육방정계 Si 라만 특성, 일부 단면의 라만 특성)

실리콘(Si)은 현재 주요 산업 분야에서 매우 중요한 재료로 사용되고 있다. Si은 외부 조건인 압력과 온도에 의해 다양한 상(phase) 구조를 갖는 동소체(allotrope)이다.

동소체는 같은 종류의 원소이지만 원자 수가 다르거나 원자의 배열 상태, 원자 간 결합 구조가 달라 특성이 달라지는 물질을 말한다. 예를 들면, 산소(O₂)와 오존(O₃)은 산소 원소의 동소체이고, 다이아몬드와 흑연은 탄소 원소의 동소체이다.

Si의 동소체 중 육방정계(hexagonal) Si은 간접 천이의 정육면체(cubic) Si과 비교하여 0.6 eV에서 1.69 eV의 준직접 밴드갭을 가지고 있어 미래의 다양한 분야에서의 응용이 기대되는 재료이다. 하지만 현재까지 순수한 육방정계 Si을 독립적으로 성장하거나 메커니즘을 설명한 경우가 거의 없다. 단일 고체에서 다른 성질을 갖는 Si 동소체의 특성을 하나의 시료에서 관측하고 설명한 경우는 본 논문이 처음이라 할 수 있다.

라만 분석법은 인도의 물리학자인 찬드라세카르 라만 경(Sir Chandrasekhara Venkata Raman, 1988~1970)이 1928년 발견한 라만 효과를 이용한 것이다. 라만 효과는 어떤 물질에 임의의 빛을 통과시키면 입사한 빛과 다른 종류의 빛이 나오는 것을 말하며 이 공로를 인정받아 1930년 노벨 물리학상을 받았다. 에너지와 진동수를 가지는 광자라는 형태로 입사광을 통과시키면 분자와 충돌하여 산란된 광자의 에너지를 감소시키거나 증가시키고 이에 따라 산란된 빛의 진동수가 감소하거나 증가하게 된다. 이러한 진동수의 변화를 측정함으로써 특정 물질의 특성을 나타낼 수 있다.

본 논문에서는 수소화학기상법에 혼합소스 방법을 도입하여 육방정계 Si 단결정을 성장하였다. 육방정계 Si 단결정 중 총 길이 3230 µm의 시료에 대해 라만 특성을 조사하였다. 이를 통해 처음으로 하나의 Si 결정에서 Si-III, Si-IV, Si-XII, Si-XIII의 상을 관찰하여 그 변화를 해석하였다.

몬테카를로 시뮬레이션을 사용한 SOPB와 전리함의 상대적 위치에 대한 선속투과력 보정인자 계산

Yong-Cheol Kwon, Hyon-Suk Jo, Se Byeong Lee and Wook-Geun Shin, New Physics: Sae Mulli 71, 885 (2021).

▲ 선속투과력 보정인자 시뮬레이션.(시뮬레이션에서 구현된 국립암센터의 양성자 빔 노즐, 선속투과력 보정인자 계산 수식, 시뮬레이션으로 계산된 선속투과력 보정인자)

방사선의 흡수선량 측정은 주로 전리함을 사용하여 수행된다. 전리함은 방사선이 전리함 내의 공동(cavity)을 지날 때 공동에 충전된 기체 내에서 생성된 이온쌍을 수집하여 입사 방사선의 세기를 측정한다. 국제원자력기구(International Atomic Energy Agency, IAEA)에서 2000년에 발간한 프로토콜 TRS-398에서는 전리함을 교정하는데 사용되는 ⁶⁰Co 기준 선속투과력(reference beam quality) Q₀와 환자의 치료에 사용되는 사용자 선속투과력(user beam quality) Q 사이의 오차를 보정하기 위한 선속투과력 보정인자(beam quality correction factor) \(\small k_{Q, Q_0}\)를 제공하고 있다.

양성자선은 입사 운동에너지에 따라 매질 속에서 특정 깊이에 도달하고 정지하기 직전에 높은 운동에너지를 전달하는 브래그 피크(Bragg peak)의 물리적 특성이 있다. 또한 다양한 에너지를 중첩시켜 브래그 피크를 넓게 퍼뜨린 것을 SOBP (Spread-Out Bragg Peak)라 한다. TRS-398에서 제공하는 \(\small k_{Q,Q_0}\) 인자는 양성자선의 도달거리(range)에 무관하게 SOBP 중심에서 계산되는 값만을 적용하여 흡수선량을 계산한다. 본 연구에서는 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 SOBP의 중심과 더불어 SOBP의 다양한 위치에서 선속투과력 보정인자를 계산하고 비교하여 보았다.

몬테카를로 시뮬레이션 툴킷 TOPAS를 사용하여 국립암센터의 양성자빔 노즐을 구현하여 SOBP의 폭이 15 g/cm²이고 도달거리가 15 g/cm²인 양성자선을 발생시켜 TRS-398에서 제시하는 reference depth인 7.5 g/cm²과 4 g/cm², 13 g/cm²에서 선속투과력 보정인자를 계산하였다. 그 결과 시뮬레이션을 사용하여 계산된 선속투과력 보정인자는 모든 위치에서 TRS-398에서 제시하는 \(\small k_{Q,Q_0}\) 인자의 오차 범위 내에서 일치하는 것을 확인하였지만 깊이에 따라 점차 증가하는 경향이 있는 것도 확인할 수 있었다.