| 초록 |
텅스텐 산화물은 전이금속산화물로서 최외각 전자가 완전히 채워지지 않는 특성을 가지기 때문에 다양한 응용분야에서 연구가 진행되고 있다. 가장 주목받은 응용분야는 전기적 제어를 통해서 색변화를 유발시키는 스마트윈도우가 알려져 있다. 이러한 외부자극의 종류에 따라 각각의 명칭이 electrochromic, gasochromic 및 photochromic 현상으로 보고되어있다. 텅스텐 산화물의 색 변화는 텅스텐의 산화물의 산화수가 6+에서 5+로 환원되며 밴드갭 내부에 state를 형성하며 blue emission이 발생한다고 보고되어 있다. 특히, photochromic 에서는 외부의 광원에 의해서 텅스텐의 valence state가 hopping 방식으로 전이되는 polaron (an electron - phonon coupling)이 색변화의 매커니즘으로 알려져있다. 하지만, 색변화의 매커니즘은 현재까지도 활발한 연구가 진행되고 있는중이며, 다양한 접근방식으로 색변화 현상을 해석하는 문헌들이 보고되고 있다. 본 연구에서는 UV 조사 전 후WO3에서 발생하는 색 변화 (즉, photochroism)와 관계된 polaron dynamics 를 관찰하기 위해서 펨토초 레이저를 사용한 pump-probe spectroscopy 분석을 수행하였고, 이를 이용해 pump (700 nm)와 probe (1000 nm) 를 통해서 excited carrier가 relaxation 되는 과정을 관찰하였다. 본 실험을 수행하기 위해서 다공성 텅스텐 산화물을 RF magnetron sputter를 사용해서 soda lime glass 에 증착되었고, photochromic 반응를 유도하기 위해서 자외선 램프를 사용하였다. 텅스텐 표면의 H2O 분자를 확인하기 위해서 Fourier transform infrared spectroscopy 분석법을 사용하였다. 그리고, X-ray photoelectron spectroscopy를 통해서 UV 처리 후 텅스텐 산화물은 W6+ 에서 W5+로 환원된 것을 확인하였다. 색 변화로 유도된 Polaron의 거동을 확인하기 위해서 pump - probe time transient spectroscopy가 수행되었다. 여기된 캐리어의 lifetime 결과를 통해 Fast decay가 2 pico 초, long decay는 10 pico 초로 확인되었다. 이 결과를 통해서 UV 처리되지 않은 텅스텐 보다 2배 지연된 캐리어의 relaxation 시간과 active e-phonon coupling 를 확인할 수 있었다. Pump-probe 실험결과에서 근적외선 (Near IR) probe를 통해 UV 조사에 의해 색 변화된 텅스텐 산화물에서의 e-phonon 상호작용이 여기된 carrier 의 relaxation을 지연시킨 것을 증명하였다. 이는 결국 전도대 상위 에너지 대에 존재하는 핫 전자와 격자간의 상호작용이 polaron effect를 원인이 됨을 유추하였다. 본 결과는 물질의 펨토초 분광 분석을 통해 산화물의 색 변화 현상을 광학적, 화학적, 전기적 특성의 원인을 규명하는데 도움을 줄 수 있을 것이다. |
