Infrared/optical spectroscopy

Infrared/optical spectroscopy is a useful experimental technique that is widely applied in many research fields (physics, astronomy, chemistry, biology, medicine, communications, materials engineering, etc.). Electromagnetic waves in a wide energy range interact with electrons in a material. The incident electromagnetic waves can be reflected or transmitted. The reflected and transmitted electromagnetic waves can be measured and may carry information about the electronic band structure and phononic characteristics of the material. Therefore, one can extract the information by analyzing the measured quantities using several useful and well-developed theoretical models. In physics, infrared/optical spectroscopy can be used to study the interesting optical (frequency-dependent) characteristics of various materials, including metals, superconductors, and strongly correlated electron systems, including high-temperature superconductors. These materials may exhibit interesting low-energy excitation phenomena, such as intraband (or Drude-like) absorption, superconducting energy gap, interband absorption, strong correlations between electrons, etc. 

Infrared/optical spectroscopy has some advantages over other spectroscopic experimental techniques for condensed matter physics. One of the advantages is the variety of sample selections [solid (single crystal or thin film), liquid, and gas states]. The infrared/optical spectroscopy covers a wide energy range (1 meV - 6.0 eV) with high energy resolution. Almost all low-energy excitations in condensed matter physics are in this wide energy range. The bulk properties of materials can be studied using the optical technique because of the deep penetration depth of the electromagnetic field. Another unique advantage compared with other spectroscopic techniques is that the measured physical quantity is a quantitative (or absolute) spectrum. For example, the superconducting transition temperature can be inferred from the electron-boson spectral density (or glue or Eliashberg) function, which is extracted from the measured optical spectrum of a superconducting material system.

적외선/광 분광학(Infrared/optical spectroscopy) 

적외선/광 분광학 기술(infrared/optical spectroscopy technique)은 여러 분야(물리학, 천문학, 화학, 생물학, 의료, 통신, 재료공학 등)에 광범위하게 적용되고 있는 유용한 기술이다. 넓은 에너지 영역의 전자기파가 물질 내 전자와 상호작용하고 반사되거나 투과된 전자기파를 측정하여, 이 측정된 물리량을 여러 유용한 잘 개발된 이론적 모형을 이용하여 분석하여, 그 물질의 광학적 혹은 에너지 의존적인 특성(optical properties)을 얻는다. 물리학에서는 금속과 초전도체와 고온 초전도를 포함한 전자들 사이에 강한 상호작용이 있는 물질이 보여주는 여러 가지 흥미로운 낮은 에너지 여기현상(에너지 밴드 내 (Drude) 흡수, 초전도 에너지 간격, 에너지 밴드 간 흡수, 전자-전자 상호작용 (광학적 자체에너지: optical self-energy), 격자진동을 포함한 집단모드(collective modes) 등)을 연구하거나, 반도체나 부도체에 존재하는 다양한 에너지 간격(energy gap)과 밴드 간 흡수 특성을 연구하는데 유용하게 쓰이는 기술이다. 

광분광학기술은 다른 응집물질물리학에서 이용되는 분광실험기술에 비해 여러 가지 장점이 있다. 즉, 광범위한 시료[고체(단결정 또는 박막), 액체, 기체 상태]를 높은 에너지 해상도(high energy-resolution)를 가지고 넓은 에너지 영역(1 meV - 6.0 eV)에서 연구할 수 있으며, 침투깊이가 깊어 물질의 벌크성질(bulk properties)을 연구할 수 있다.  그 장점 중에서도 가장 중요한 적외선/광 분광학기술만의 특성은 측정한 물리량이 정량적인 (절댓) 값이라는 것이다. 예를 들면, 초전도체를 정교하게 측정한 스펙트럼으로부터 도출한 초전도 쌍을 형성하는 힘의 스펙트럼인 전자-보존 스펙트럼 밀도 (풀 또는 Eliashberg) 함수로부터 초전도 전이온도를 추측할  수 있다.

Major equipment and condensed matter physics research at the Infrared Spectroscopy and Quantum Materials Laboratory (IRS-AQML)

The main equipment of the Infrared Spectroscopy and Quantum Materials Laboratory (IRS-AQML) is a Vertex 80v FTIR-type spectrometer (20-50000 cm-1: 3 meV–6 eV), the latest model from Bruker, Germany; a Hyperion 2000 microscope-type spectrometer (400–20000 cm-1: 0.05–2.5 eV); and a Lambda 950 spectrometer (4000–50000 cm-1: 0.5–6.2 eV) from Perkin-Elmer, USA, which is a monochromatic spectrometer. Together with these spectrometers, it is equipped with a low-temperature measurement system (8–500 K) to study temperature-dependent properties such as the superconducting transition. It also has a setup that can precisely measure the reflectance of small samples with non-flat and non-smooth surfaces using a technology called in-situ metallization.

Using a power spectrum in a wide frequency (or energy) range (3 meV–6 eV), various interesting excitations that appear in condensed matter, the subject of research in condensed matter physics, are studied using infrared/optical spectroscopy (see figure below).

적외선분광 양자물질연구실(IRS-AQML)의 주요 장비와 응집물질물리학 연구

본 적외선분광 양자물질연구실(IRS-AQML)의 주요 장비는 독일 Bruker사의 최신 모델인 Vertex 80v FTIR-type 분광기(20-50000 cm-1: 3 meV - 6 eV)와 Hyperion 2000 microscope-type 분광기(400 - 20000 cm-1: 0.05 - 2.5 eV)와 monochromatic 분광기인 미국 Perkin-Elmer사의 Lambda 950분광기(4000 - 50000 cm-1: 0.5 - 6.2 eV)이다. 이들 분광기와 함께 초전도 전이와 같은 온도 의존적인 특성을 연구하기 위해 저온측정 시스템(8 - 500 K)을 갖추고 있다. 또한 in-situ metallization 이라는 기술을 이용하여 작거나 표면이 고르지 않은 시료의 반사율을 정밀하게 측정할 수 있는 셋업을 갖추고 있다. 

넓은 진동수(또는 에너지)영역(3 meV - 6 eV)의 파워 스팩트럼를 이용하여 응집물질물리학의 연구대상인 응집물질에 나타나는 여러 흥미로운 여기현상(excitations)들을 적외선/광분광학을 이용하여 연구한다 (아래 그림 참조). 

Spectrometer types and operating principles

A spectrometer is a device that obtains a power spectrum. There are two types of spectrometers: the Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer and the monochromatic spectrometer. The power spectrum is a physical quantity that shows the intensity of electromagnetic waves versus wavelength (or frequency), which is essential to studying materials optically. The optical components of a spectrometer are different depending on the type, and the principles of obtaining the power spectrum are also different. An FTIR spectrometer consists of a light source, an interferometer, and an infrared/optical detector, while a monochromatic spectrometer consists of a light source, a monochrometor, and a photodetector. Below is a brief introduction to the principles of obtaining power spectra using two types of spectrometers. 

분광기(Spectrometer)의 종류와 작동원리

분광기는 파워 스펙트럼을 얻는 장치로 크게 Fourier Transform Infrared (FTIR) 분광기와 monochromatic 분광기로 두 가지 종류로 나누어 진다. 파워 스펙트럼은 파장(또는 진동수) 대 전자기파의 세기를 보이는 물리량이다. 분광기의 종류에 따라 구성요소가 다르며, 파워 스펙트럼을 얻는 원리도 다르다. FTIR 분광기는 광원과 간섭계와 광검출기로 이루어져 있는 반면, monochromatic 분광기는 광원과 monochrometor와 광검출기로 이루어져 있다. 아래는 두 종류의 분광기를 이용하여 파워 스펙트럼을 얻는 원리를 간략하게 소개한다.  

How FTIR spectroscopy works

The heart of FTIR spectroscopy is the interferometer in an FTIR spectrometer. In a Michelson-type interferometer (see figure below), the beam of white light emitted from a light source is divided into two beams by the beam splitter. One beam is reflected by a moving mirror, and the other beam is reflected by a fixed mirror. They get together at the beam splitter and are combined. The combined beams interfere, and the intensity of the interfered beams is measured by the detector as a function of the moving mirror position. The measured quantity is called an interferogram. A power spectrum is obtained from the interferogram using the Fast Fourier Transform (FFT).

FTIR 분광기의 작동원리

FTIR 분광기는 분광기 내에 있는 간섭계가 핵심이다. 마이켈슨 형의 간섭계 (아래 그림 참조)는 광원에서 방출된 백색광(white light)을 빔 분할기(beam splitter)로 세기(intensity)를 둘로 나눈다. 한쪽 빔은 moving mirror에 의해 반사되어 빔분할기를 거쳐 detector로 들어오고, 다른 쪽 빔은 fixed mirror에 의해 반사되어 빔분할기를 거쳐 detector로 들어와 이들 두 빔이 만나 일어나는 간섭 결과가 detector에 의해 moving mirror의 위치함수로 측정된다. 측정된 값은 interferogram로 불리며, 이 값을 Fast Fourier Transform(FFT)을 수행하여 power spectrum을 얻는다.

How Monochromatic Spectroscopy Works

The heart of monochromatic spectroscopy is a monochrometer in a monochromatic spectrometer. A monchromator consists of a grating and two slits: entrance and exit. White light emitted from a light source enters the monchometer through a narrow entrance slit. The narrow beam is reflected by the reflective grating in the monochrometer, and it is spatially distributed by wavelength. When this dispersed beam passes through a narrow exit slit, the narrow beam from the exit slit is almost monochromatic (single frequency). By rotating the direction of the grating, a beam with a different frequency appears through the exit slit and is measured by the detector. Through this method, the intensity of white light at all wavelengths is measured to obtain a power spectrum (see figure below).

Monochromatic 분광기의 작동원리

Monochromatic 분광기는 분광기 내에 있는 monochrometer가 핵심이다. 광원에서 방출된 백색광이 monochrometer 내 반사형 grating(다중격자)에 반사되면, 공간적으로 파장별로 분산된다. 이 분산된 빛을 좁은 슬릿(틈)을 통과하게 하면 거의 단색광(단일 진동수)에 가까운 빛을 얻을 수 있다. Grating의 방향을 바꾸면서 모든 파장에서 빛의 세기를 각각 측정하여, power spectrum을 얻는다 (아래 그림 참조).

Infrared/optical spectroscopy techniques and spectroscopic techniques used in condensed matter physics

Infrared/optical spectroscopy has several advantages and disadvantages compared to other spectroscopic techniques that are widely used in the study of condensed matter physics (see table below). Because the techniques are complementary, by conducting research on the same sample using various techniques, the various characteristics of the sample can be comprehensively investigated, analyzed, and understood. Infrared/optical spectroscopy plays an important role in the study of various new materials, including high-temperature superconductors. Infrared/optical spectroscopy measures the transition of electrons from a filled electronic band to an empty band (interband absorption) or the transition characteristics of a partially filled electronic band (intraband absorption). The infrared/optical spectrum is a very interesting physical quantity that contains information from both filled bands below the Fermi level and unoccupied bands above it. These transitions are called optical transitions (see figure below). Unlike photoelectron spectroscopy, electrons remain within the material before and after measurement. In addition, Raman technology is a complementary experimental technology to infrared, is an inelastic light scattering spectroscopy, and is useful in research on nanomaterials, including graphene, due to its high sensitivity. 

적외선/광 분광학 기술과 응집물질물리학에 이용되는 분광기술

적외선/광 분광학 기술은 응집물질물리학의 연구에 광범위하게 이용되는 다른 분광학실험기술(spectroscopic techniques)과 비교하여 여러 가지 장점과 함께 단점이 있어(아래 표 참조), 여러 실험기술들은 서로 상보적이기 때문에 한 시료를 다양한 기술을 이용하여 연구를 수행하면 그 시료의 다양한 특성을 총체적으로 연구 분석 및 이해할 수 있다. 이러한 연구에 적외선/광 분광학은 고온초전도체를 포함한 다양한 신물질 연구에 중요한 역할을 담당한다. 특히, 적외선/광 분광학은 채워진 에너지밴드의 전자가 비워있는 에너지 밴드로의 전이(interband transitions: 밴드 간 흡수)나 부분적으로 채워진 전자들의 전이특성(intraband transitions: 밴드 내 흡수)을 측정한다. 적외선/광 분광 스펙트럼은 페르미 레벨 아래의 채워진 밴드와 그 위의 비워있는 밴드의 정보을 모두 가진 매우 흥미로운 물리량이다. 이러한 전이는 광학적 전이(optical transitions)라 불린다(아래 그림 참조). 광전자 분광학실험과는 다르게 측정 전후에 전자가 물질 내에 머물러 있다. 또한 라만(Raman) 기술은 Infrared와 상보적인 실험기술로 비탄성 광산란(inelastic light scattering)분광기술로 알려져 있으며, 높은 민감도로 인해 그래핀을 포함한 나노물질 연구에 유용하게 이용되고 있다.