원적외선 영역에서 MAPbI₃, MAPbBr₃에 대한 분광학적 연구

임재승, 박상헌, 서유성, 이명훈, 황정식, New Physics: Sae Mulli 70, 816 (2020).

페로브스카이트 구조를 가진 유기-무기 복합물(또는 유무기 복합 페로브스카이트)은 2012년에 태양전지의 광활성 물질로 처음으로 이용되어 10.9%의 효율을 보인 이후 이 물질에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 현재 대부분 태양전지에 이용되는 실리콘과 비교해 효율이 높을 뿐만 아니라 싼 제작경비와 유연성 등으로 인해 실리콘을 대체할 수 있는 가장 유력한 물질로 주목을 받고 있다. 또한, 태양전지 이외에도 광-자기 데이터 보관장치, 레이저, LED 등 다양한 방면에 활용될 수 있다.

유무기 복합 페로브스카이트는 일반적으로 MAPbX₃로 나타내며, 잘 알려진 ABO₃ 형태의 페로브스카이트 구조를 갖는다. MA는 CH₃MH₃ 유기물이며, X는 Cl나 Br나 I가 될 수 있다. 본 연구에서는 원적외선 영역에서 X가 I와 Br인 단결정 시료의 포논의 온도특성에 관한 연구를 진행하였다. 이들 물질 내 포논의 강한 흡수로 인해 측정영역에서 투과율이 영이 되기 때문에, 단결정 시료를 분쇄하여 측정영역에서 투명한 폴리에틸렌 가루와 혼합하여 농도를 조절하여 투과율을 측정하여 흡수계수 스펙트럼을 얻었다. 얻은 흡수계수 스펙트럼을 동일 물질의 박막에서 얻은 흡수계수 스펙트럼과 비교해서 정규화하였다. 이렇게 얻은 흡수계수를 로렌츠 모형을 이용하여 시뮬레이션하여 얻어진 피팅 파라미터로부터 복소 유전율을 얻었다(그림). MAPbI₃와 MAPbBr₃는 극성물질로 LO와 TO 포논을 보인다. 여러 온도에서 유전율 스펙트럼(그림)을 각 모드가 네 개의 파라미터로 이루어진 모형을 이용한 피팅을 통해 LO와 TO 포논의 위치와 세기와 감쇄계수를 얻었다. 얻은 포논의 정보로부터 Frohlich 모형을 이용하여 전자-포논이 결합한 준입자인 폴라론의 질량과 반지름 등을 얻었으며, 이 값들의 온도의존 특성과 두 물질 간 특성 차이를 보고하였다. 본 결과가 유무기 복합 페로브스카이트의 물리적 성질과 전하수송 특성을 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대한다.

VPython을 활용한 선형 질량-스프링 결합계 진동의 대화형 시뮬레이션

김창배, 이동렬, 김희상, 정진석, 천명기, 이윤상, 김진민, 이태훈, 이항모, 박세영, 김남미, 김양수, 최현희, New Physics: Sae Mulli 70, 871 (2020).

진동은 물리계의 동역학에 나타나는 근원적인 양상으로서, 선형 질량-스프링 결합계는 물리학 교육과정에서 대표적인 진동계의 예로서 다루고 있다.

결합계의 강제 진동과 관련하여 인터넷에 공개되어 있는 소프트웨어들 중에서 실제 물리 파라미터를 사용하여 정량적인 결과를 볼 수 있도록 제작된 자료는 찾아보기 쉽지 않다. 이것은 아마도 대부분의 자료들이 대학 기초물리 이하의 수준으로 맞추었기 때문일 것이다.

본 논문은 서로 연결된 진동자들의 강제운동에 관한 학습 자료로 사용할 수 있는, GlowScript VPython을 기반으로 하여 숭실대학교 물리학과에서 개발한 대화형 시뮬레이션 프로그램 FCO(https://SSUphysics.github.io/FCO.html)에 관하여 소개하였다. 경계 조건에 따른 결합계의 정규모드 진동 그리고 강제 진동에서의 공명을 학생들이 좀 더 정량적이고 분석적으로 이해하는 데 도움이 되도록, 이 프로그램은 진동자와 스프링의 순간적인 움직임 영상과 에너지 그래프를 실시간으로 제공한다. 진동자의 개수를 늘이면 일차원의 종파를 근사적으로 구현할 수 있어서, 다체계의 진동과 매질의 파동 사이의 상관관계를 학생들이 직관적으로 이해하는 데 도움이 되리라 생각한다. 동일한 진동자들이 동일한 스프링으로 연결되어 길이 1 m로 고정된 계에서 계의 전체 질량, 진동자의 수 \(\small N\), 스프링 상수 그리고 외력의 진동수를 사용자는 입력할 수 있다. 계의 왼쪽 끝은 벽에 고정되어 있으나, 오른쪽 끝은 벽에 고정되거나 자유로이 풀려있도록 선택할 수 있으며, 그에 따라 원하는 차수의 정규모드 진동수가 표시된다. 구동력에 의하여 조화진동을 하는 왼쪽 벽의 진폭은 스프링 고유길이의 0.1%로 지정하였다. 평형 상태에 있는 계를 왼쪽 벽이 구동하면서 진동이 시작되고, 그 이후의 진동은 오일러 방법에 따라 진행된다.

그림은 \(\small N=10\)이고 양 끝이 고정된 계가 기본 정규모드에 근접하는 진동수로 구동되는 경우의 진동이 시간 \(\small t=23.09\)초에 이르렀을 때 스프링들의 변위, 진동자의 변위 그리고 그때까지의 에너지들 변천 과정을 보여준다. 개개 스프링의 변위는 색깔로 표현한 것으로서 붉은 색은 스프링이 줄어든 것 그리고 노란색은 늘어난 것을 의미하며, 색깔이 옅을수록 길이의 변화가 작다는 것이다.