CuAlO₂ (Copper Aluminate)는 가시광 영역에서 높은 투과도를 가지며, 비화학량론적 반응을 통한 Cu의 Vacancy 결함을 수반하는 p-type 산화물 반도체로 보고되어 있다. CuAlO₂의 p-type 특성 향상과 투과도 개선을 위해, Al³⁺ site에 Mg²⁺, Ca²⁺, Mn²⁺ 등의 양이온 치환 도핑과, 박막 형성에서의 N₂O 공정을 통한 O^2- site의 N^3-의 음이온 치환 도핑에 관한 연구들이 진행됐다. 또한 Solar Cell Device에 적용하기 적합한 준위 값을 가지며, p-n 접합 적용에 관한 연구들도 진행됐다. 그런데 CuAlO₂는 Al–O의 Octahedral 적층 구조에 따라 R\(\small \bar{3}\)m (Rhombohedral) 구조와 열역학적으로 불안정한 P63/mmc (Hexagonal)의 구조로 나뉜다. 이러한 CuAlO₂ (R\(\small \bar{3}\)m)는 고상합성 과정에서 형성되는 P63/mmc의 상과 CuAl₂O₄의 2차 상에 의해 전기전도도 특성이 저하되는데, 본 연구는 합성 메커니즘과 이러한 2차 상을 억제하기 위해 고상합성 방법을 제안하였으며, Mg 도핑량에 따른 p-type 전기적 특성을 분석하였다.

출발 물질인 Cu₂O는 공정 중 CuO로 변화되고 높은 이동성과 반응성으로 Al₂O₃ 표면에 반응막을 형성 후 온도에 따라 확산 반응을 유발시키며 1000 ℃ 이하에서는 CuAl₂O₄상이 형성되며 1100 ℃ 이상에서는 CuAlO₂상이 형성되는 것으로 제안하였다(그림). 단일 입자 합성 메커니즘은 그림과 같이 제시하였으며 또한 합성 열처리된 시료의 전체적 형태는 불균일한 층으로 상하부 층은 Cu가 부족하고 중간층에서는 잉여 CuO상이 관측되었다. 이러한 불균일은 전체 시료에서 Cu가 손실이 발생을 유발하였다. Cu 손실을 보상하여 재열처리 합성한 결과 2차 상이 없는 단일 CuAlO₂상을 확보하였다. CuAlO₂와 CuAl_(1-x)Mg_(x)O₂가 p-type 전도도를 갖는 것을 확인하였으나 Mg 도핑량 증가에 따라 미반응 CuO와 CuAl₂O₄상의 형성으로 Mg 첨가에 의한 Cu의 합성 반응의 형태가 변화되었음을 확인하였다. 이러한 2차상 증가는 hole 이동도에 영향을 주는 것으로 분석하였다.

아조 색소가 첨가된 폴리머의 축퇴 4광파 혼합에서 펌프광의 포화 효과

우양, 최동수, 서효진, 김선일, New Physics: Sae Mulli 73, 67 (2023).

비선형 광학에서 축퇴 4광파 혼합(Degenerate Four-wave Mixing)은 광파면의 왜곡된 위상을 보상할 수 있는 위상공액파를 생성할 수 있는 방안이다. 축퇴 4광파 혼합에 의한 위상공액파의 기술은 적응 광학, 신호 처리, 광섬유 및 난류 매체를 통한 화상처리 등에 응용 가능성을 제안하였고 유도라만 및 브릴루앙 산란 과정에 관한 연구도 발전시켰다.

축퇴 4광파 혼합으로 위상공액파를 발생시키는 매질은 큰 비선형 특성을 가져야 한다. 왜곡된 화상신호를 복원하는 등의 응용을 위해서는 고체물질로서 제조가 쉽고 낮은 펌프광에서 위상공액파를 발생할 수 있어야 하고 출력에 대한 펌프광의 포화세기가 큰 것이 요구된다. 이런 요구에 대해서 제조가 쉬운 폴리머를 호스트로 하는 아조 색소가 첨가된 매질에 대한 위상공액파 발생과 펌프광의 포화 세기에 관한 연구가 많이 진행되었다.

Abrams와 Lind는 포화 흡수체에서 정상상태의 축퇴 4광파 혼합과정을 2준위 원자 모델로 설명하였다. 그들은 축퇴 4광파 혼합의 결합계수를 펌프광 세기의 포화율로 나타내어 위상공액파의 반사율을 계산하였다. 펌프광의 세기가 포화 세기일 때 최고의 반사율을 가지고 그 다음부터는 감소한다는 것을 보여주었다.

이 연구에서는 DO3 색소를 첨가한 PMMA 박막에 476 nm의 레이저 광을 쬐어서 펌프광 세기와 펌프광의 편광각 변화에 따른 위상공액파를 측정하고 특성을 분석하였다. 펌프광 세기에 따르는 비선형 광흡수 계수와 펌프광의 포화세기를 구하였다. 그리고 축퇴 4광파 혼합에 의한 위상공액파를 측정하여 펌프광 세기의 포화율에 따른 위상공액파 반사율의 변화 추세를 비선형 광흡수 계수와 펌프광의 포화세기로써 분석하고 Abrams와 Lind 모델과 비교하였다. 그리고 편광각의 변화에 따른 위상공액파의 세기를 측정하여 광이성체의 각홀버닝 효과로써 분석하였다. 펌프광과 프로브광의 편광각을 직각으로 하면 평행 배치의 각홀버닝 효과를 회피하여 4배로 증가된 위상공액파의 반사율을 얻었다.