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C.V. Raman (1888. 11. 7 – 1970. 11. 21): 인도의 물리학자. 빛의 산란현상에 대한 획기적인 연구로 1930년 노벨 물리학상을 수상하였다. 단일 진동수의 빛을 물질에 조사했을 때, 산란되어 나온 빛의 일부분은 진동수가 변하는 현상을 관찰하여 이를 현대물리학의 개념으로 설명하였다. 이 현상을 발견자의 이름을 따서 라만 효과에 의한 라만 산란이라고 한다.

라만분광의 원리

단일 진동수의 빛이 물질계의 진동, 회전운동, 기타의 소여기상태와 상호작용하면서 진동수가 변하여 비탄성 산란하는 현상을 라만 산란이라고 한다. 일반적으로 라만스펙트럼은 분자의 진동, 또는 결정격자의 진동에너지를 나타낸다. 물질과 상호작용한 후에 산란한 빛의 대부분은 진동수가 변하지 않는 Rayleigh scattering, 즉 탄성산란을 하지만 그 중 극히 일부의 빛은 처음 진동수보다 낮거나 높은 진동수로 산란하는 비탄성 산란을 한다. 물질의 진동에너지 상태를 높여주고 자신은 더 낮은 진동수로 산란한 빛은 Stokes  scattering이고, 원래 높은 진동에너지 상태에 있던 물질로부터 에너지를 얻어서 물질의 진동에너지 수준은 낮추고 자신은 더 높은 진동수로 산란한 빛을 Anti-Stokes scattering이라 한다. 이렇게 진동수가 변하여 산란한 빛들을 분광하면 그 물질 고유의 라만 스펙트럼을 측정할 수 있다. 열평형 상태의 상온에서는 Boltzmann 분포이론에 따라 Stokes scattering의 확률이 훨씬 높기 때문에 주로 Stokes 산란광을 분광하여 라만스펙트럼을 얻는다.

라만스펙트럼의 x축의 단위는 cm-1로서 Raman shift, 또는 Wavenumber로 표기하는데, 이는 광원의 처음 진동수와, 물질과 상호작용한 산란광의 진동수의 차이를 뜻한다. 따라서, 그 값이 커질수록 해당 밴드(픽)가 나타내는 분자의 진동 모드는 더 높은 진동에너지를 가짐을 뜻한다. 공유결합을 할 수록, 가벼운 원자들 간의 결합을 나타내는 결합일수록 라만밴드의 값은 높다. y축은 라만산란의 세기를 나타내며 특정한 물리량으로 표기하지 않고 Intensity, Count 등으로 나타낸다.

라만 스펙트럼은 물질마다 고유하므로 미지 물질을 동정하는데 이용된다. 뿐만 아니라, 시료에 외부적인 자극을 가했을 때 변화하는 라만 스펙트럼의 분석을 통해 물질의 물리, 화학적 특성을 관찰할 수 있다.

단일 진동수의 빛으로는 레이저가 이용되며, 분광기, 광검출기 (CCD 또는 PMT), 현미경과 이들을 이어주는 여러 광학기구들이 결합되어 극히 작은 시료도 측정할 수 있는 마이크로 라만분광 시스템을 이룬다. 

라만산란의 원리

Raman_energy_levels.svg.png

라만시스템 개략도

라만개략도.png

라만분광측정의 장점

  • 비파괴측정이다.

  • ​미지 물질을 동정(Identification)한다.

  • ​기체, 액체, 고체 상태의 시료를 모두 측정할 수 있다.

  • 대부분 시료의 전처리가 필요없다.

  • 현미경과 결합하면 높은 공간분해능 (~ μm)을 가지므로 극히 미량의 시료만으로도 분석할 수 있다.

  • 수분의 영향을 거의 받지 않는다.

라만분광측정의 기법

  • 일반적인 라만 측정법 

  • 공명 라만 측정법

  • 편광 라만 측정법

  • 표면 증강 라만 측정법

  • 맵핑 기법을 이용한 라만 이미징

  • 온도 의존 라만 측정법

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