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Synthesis and Optical Properties of Quantum Dots 평가A좋아요

Synthesis and Optical Properties of Quantum DotsAbstract양자점에 대한 이해를 바탕으로, CdSe 양자점을 합성한다. 일정한 시간 간격으로 sample을 채취하고, 색 차이, 흡광과 형광 등의 특성을 파악한다. 측정 값을 이용하여 양자점의 크기를 구한다. 또한 합성시간에 따른 양자점의 크기 및 색깔의 관계를 파악하고, 그래프 띠 넓이를 통해 크기분포를 알아본다. 결과적으로 합성시간이 지날수록 결정이 커지고, 이에 따라 최대 흡수와 방출파장의 크기가 커져 붉은 빛을 띠는 것을 파악한다. 입자의 크기가 커질수록 밴드갭은 줄어드는 것을 알 수 있다.Introduction양자점은 구형태의 반도체 나노입자로, 나노미터 수준으로 작아질 경우 벌크물질과는 다른 전기적, 광학적 특성을 보인다. 특히 반도체 결정을 수십~수백 개 합성한 구형의 나노입자가 양자 크기 효과로 인한 광학적 특성을 잘 나타낸다. 이러한 특성은 내부의 에너지 구조가 다르게 나타나기 때문이다. 양자점이 빛을 흡수하면 엑시톤의 전자-정공 쌍이 분리되고 남은 에너지로 전자가 높은 에너지의 상태로 올라간다. 높은 에너지 상태의 전자는 다시 그 에너지 준위가 양자점 내부에서 낮아지면서 빛을 방출하는데, 양자점의 크기가 클수록 긴 파장의 가시광선을 방출하여 붉은색을 방출한다. 이러한 성질로 인해 양자점은 이미징, 디스플레이 등 여러 분야에서 다양한 연구가 진행되고 있다. 양자점 반도체 결정에는 CdSe, ZnO등이 활용된다.Figure SEQ Figure * ARABIC 1 양자점의 구조와 크기에 따른 색변화Figure SEQ Figure * ARABIC 2 벌크물질과 나노물질의 에너지밴드갭이란 전도대의 가장 낮은 에너지 준위인 LUMO와 가전자대의 가장 높은 에너지 준위인 HOMO의 에너지 차이를 말한다. 전자와 정공은 쿨롱인력으로 인해 결합한다. 엑시톤 보어 반지름은 전자와 정공 간의 물리적 분리 거리를 말하는데, 반도체 나노입자의 크기가 엑시톤 보어 반지름보다 ene을 함께 넣어준다.→ 초기 상태는 투명 용액 속 흑갈색의 고체였다.시약이 든 플라스크를 히팅멘틀 (heating mantle)이나 오일조(oil bath)를 이용해 220 ℃ 정도로 가열한다.Figure SEQ Figure * ARABIC 3 장치 설치 모습(다음 단계는 빠른 속도로 진행되므로 이 단계를 시작하기 전에 다음 단계를 숙지한다.) 온도가 200 ℃ 이상이 되면 용액의 색이 갈색에서 투명하게 변한다. 이때 조교에게서 받은 2 mL selenium precursor 용액을 주사기를 이용해 빠르게 주입한다. Selenium precursor 용액을 넣자마자 CdSe 합성이 이루어지기 때문에 바로 샘플을 얻을 준비를 한다.→ 원하는 sample의 수만큼 vial을 준비하고, 채취시간을 미리 기록해둔다.용액이 매우 뜨거우므로 이 과정에서 특별히 조심해야 한다! (가열판은 물론, 오일과 CdSe 용액이 매우 뜨거우므로 주의한다. 특히 피펫으로 용액을 너무 많이 취하면 벌브까지 용액이 들어올 수 있어 위험하므로 조교의 지도하에 실험이 이루어지도록 한다.)→ 피펫 안에 연기가 찰 정도로 고온의 용액이었다.색 변화를 관찰하며 일정 시간 간격으로 약 1 mL씩 ~9 inch 유리 피펫을 이용해 시험관 또는 바이알에 옮겨 담아 입자의 성장을 멈추게 한다. 보통의 경우 첫 번째 샘플을 Se을 넣은 후 약 10초 후에 취하고 나머지 11개 정도의 샘플을 30 초 간격으로 채취한다. UV-lamp로 비춰봤을 때 마지막 샘플의 형광색이 오렌지색이나 빨간 색이면 다음 단계로 넘어가고 녹색이면 입자를 더 성장시켜 2-3개의 샘플을 더 채취한다.→ 12개 sample의 채취 시간은 아래와 같으며 마지막 sample 12의 색은 붉은색이었다.sample 110ssample 230ssample 360ssample 490ssample 5120ssample 6150ssample 7180ssample 8210ssample 9240ssample 10270ssample 11300ssa른 sample의 색 변화Figure SEQ Figure * ARABIC 5 가시광선 아래 시간에 따른 sample의 색 변화Figure SEQ Figure * ARABIC 6 UV lamp 아래 시간에 따른 sample의 색 변화CdO용액에 Se용액을 주사한 후 초기 10초와 이후 30초 간격으로 총 12개의 sample을 채취하였다. 우리는 그 중 색 변화를 명확하게 나타내는 5개의 sample을 선택하였고, 각각의 sample을 가시광선 아래에서 또 UV lamp 아래에서 관찰 및 기록하였다. Figure 5는 가시광선 아래의 sample이다. 시간이 흐를수록 용액의 색이 노란색에서 붉은색으로 변하는 것을 관찰할 수 있다. 이를 통해 UV 흡광 스펙트럼을 촬영하였을 때 시간이 흐름에 따라, 즉 양자점의 크기가 커짐에 따라 최대 흡수파장 또한 커질 것이라 예측할 수 있다. 이는 이후의 UV 흡광 스펙트럼 결과를 통해 확인할 수 있다. Figure 6은 UV lamp 아래의 sample이다. 시간이 흐를수록 형광이 녹색의 노란색에서 적색의 노란색으로 변하는 것을 관찰할 수 있다. 이를 통해 fluorescence 형광 스펙트럼을 촬영하였을 때 시간이 흐름에 따라, 즉 양자점의 크기가 커짐에 따라 최대 형광파장 또한 커질 것이라 예측할 수 있다. 이는 이후의 fluorescence 형광 스펙트럼 결과를 통해 확인할 수 있다.Absorption of quantum dotFigure SEQ Figure * ARABIC 7 Unnormalized AbsorbanceFigure SEQ Figure * ARABIC 8 Normalized Absorbance10s30s60s120s270sλ(nm)478.03500.18515.37527.28535.87Figure SEQ Figure * ARABIC 9 최대 흡광파장 결과5개 sample의 시간에 따른 UV 흡광 스펙트럼 결과는 Figure 7이다. 반응의 진행에 따른 경향성을 보다 효과적으로 분석하기 위하여 nor행에 따른 경향성을 보다 효과적으로 분석하기 위하여 normalizing한 후 Figure 11에 그 그래프를 나타내었다. 우리 실험에서는 420-700nm 파장 범위의 형광을 측정하였다. 또한 최대 형광파장 값을 Figure 12에 표로 나타내었다.Figure 10을 통해 반응이 진행될수록 최대 형광파장이 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 이 또한 흡광의 경우와 마찬가지로, 양자점의 크기 증가에 의한 것임을 알 수 있다. 양자점의 크기가 커짐에 따라 에너지 준위의 차이가 작아지고, emission 전이가 일어날 때 방출하는 파장은 커지게 된다. Figure 6에서 UV lamp 아래 시간에 따른 sample의 색이 점점 붉은 색을 띠는 것을 통해 이를 확인할 수 있다. 또한 흡광 스펙트럼과 달리 형광 스펙트럼은 최대 형광파장을 기준으로 대칭적인 스펙트럼을 나타내는 것을 관찰할 수 있다.형광 스펙트럼도 마찬가지로 반응이 진행됨에 따라 형광도가 감소한다. Normalize되지 않은 Figure 10을 통해 이를 관찰할 수 있다. 그러나 Figure 10에서 30s의 sample이 그 경향성을 벗어난 것을 관찰할 수 있다. 이 오류는 30s sample을 희석할 때 상대적으로 더 높은 농도로 제조되어 발생한 것으로 추측된다.Radius of particle앞서 Introduction에서 설명한 대로 양자구속효과에 의한 밴드갭의 변화는 아래의 식을 통하여 구할 수 있다.는 벌크 물질의 밴드갭, h는 플랑크 상수, r은 양자점의 반지름, 와 는 각각 전도대와 가전자대의 유효질량을 나타낸다. 식을 r에 대해 정리하고, E=hc/λ 식과 함께 나타내면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.,(h =6.626 x 10-34 J·S, c = 3.0 x 108 m/s)(CdSe data: λbulk = 709 nm, ε = 10.6, me* = 0.13m0, mh* = 0.45m0, m0=9.1110-31 kg)CdSe data와 각 sample의 최대 흡광파장을 대입하여 radiu 넓이를 구하여 정보를 얻을 수 있다. 양자점의 경우 sample에 비슷한 크기의 양자점이 존재할수록 peak가 더 sharp하게 나와 띠 넓이가 좁아지고, 반대로 다양한 크기의 양자점이 존재할수록 peak는 더 broad하게 나와 띠 넓이가 넓어진다. FWHM 은 full width at half maximum의 줄임 말로, peak의 전체 띠 넓이를 구하는 방법을 말한다. HWFM은 half width at half maximum으로, 띠 넓이의 절반을 구하는 방법을 말한다. 보통 대칭적인 peak의 경우 FWHM을 이용하고, 그렇지 않은 경우 HWFM을 이용한다. 이번 분석에서 흡광 스펙트럼에 HWHM을 사용하고, 형광 스펙트럼에 FWHM을 사용하였다. FWFM은 Figure 13와 같이 구할 수 있으며 HWHM은 그 절반에 해당한다. 또한 Origin 프로그램으로도 구할 수 있다. 실험값에 대한 흡광 스펙트럼의 HWHM과 형광 스펙트럼의 FWHM결과는 Figure 14-15이다. HWHM은 반응이 진행될수록 점점 값이 커지는 경향을 보였다. 이는 시간이 지남에 따라 양자점의 성장 속도가 빨라져 점점 다양한 크기의 양자점이 채취된 것으로 추측한다. FWHM은 반응이 진행됨에 따라 값이 커졌다가 감소했다. 60s에서 채취한 sample의 peak가 가장 broad했다. 반응이 진행되면서 양자점의 성장속도가 계속 변화하였고, 60s 즈음에 성장속도가 가장 빨라 다양한 크기의 양자점이 존재했던 것으로 추측한다.Figure SEQ Figure * ARABIC 13 FWHMAbsorption10s30s60s120s270sλmax (nm)478.17499.31514.99525.18535.36λ1/2max (nm)497.01519.67537.70554.97572.17HWHM(nm)18.8420.3622.7129.7936.81Figure SEQ Figure * ARABIC 14 흡광 스펙트럼의 HWHMEmission10s30s60s120s270sλmax (nm)49

자연과학| 2018.09.17| 11페이지| 4,000원| 조회(372)

이화여대, 이화여자대학교, Quantum dot, 화학실험기법, 화실기

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Nanofabrication by Polymer Self-assembly 평가A+최고예요

Nanofabrication by Polymer Self-assemblyAbstractPolymer의 self-assembly방법으로 BCPs를 합성한다. 이 과정에서 spin-coating 과 nanofabrication method를 사용하고, 그 방법과 특성을 파악한다. 또한 Au NPs solution을 합성한 후 film을 dipping하여 BCPs와 재구성한다. 마지막으로 이를 AFM과 LSPR을 통해 분석한다. dipping후 시간이 흐름에 따라 나노입자가 어떻게 변하는지 파악한다.IntroductionBlock Copolymers(BCPs)BCPs는 두 가지 이상의 화학적으로 구별되는 고분자 사슬들이 공유결합에 의해 연결된 중합체를 말한다. BCPs은 자가조립특성(self-assembly)특징을 갖고 있어 기존의 top-down 방식의 패턴제작의 한계를 극복할 수 있는 새로운 방법으로 연구되고 있다. 또한 BCPs는 이를 구성하는 두 가지 고분자의 종류, 분자량, 상호작용 정도에 따라 다양한 물리적, 화학적 성질을 갖게 되는 특성이 있다. 이번 실험에서는 Poly(styrene)-block-poly(vinyl pyridine) (PS-b-PVP)를 이용한다. PS-b-PVP는 다양한 나노구조로 변할 수 있는 성질을 가진 양친매성의 BCPs로 nanopatterning에 널리 사용된다.BCPs의 합성은 다음과 같다. 먼저 고분자를 두 종류 모두 잘 녹일 수 있는 solvent에 녹인다. PS-b-PVP의 합성에서는 toluene이 사용되었다. 그리고, Hydrophilic한 기판 위에 hydrophobic한 toluene을 evenly distribution하기 위해 spin coating방법을 사용한다. 이후 최적의 온도에서 anneal과정을 거쳐 마무리한다.Figure SEQ Figure * ARABIC 1 Synthesis of BCPsLocalized surface plasmon resonance(LSPR)표면 플라즈몬 공명현상(surfa. 탐침이 재료 위를 움직임에 따라, cantilever의 굽힘 또는 비틀림이 발생하여 반사 레이저의 위치가 변하게 되고, 이는 photo detector에 감지된다. 또한, detect를 위해 laser interferometer가 이용되기도 한다. 이와 같이 AFM을 통해 cantilever의 거동을 이용하여 탐침과 분석물질 사이에서 발생하는 다양한 종류의 힘을 측정하고, 이를 바탕으로 응착력, 탄성계수, 경도, 선과 면에 대한 정보 등의 물리적, 화학적, 전기적 등의 상호작용에 의해 발생하는 각종 현상들을 이해할 수 있다. 그리고 이 정보들은 재료 및 표면의 특성을 분석하는 데 효과적으로 활용된다.UV-Vis spectroscopyUV-Vis spectroscopy는 전이금속 착화합물 등의 물질이 자외선(200~400nm) 및 가시광선(400~700nm)파장 영역의 빛을 흡수하는 성질을 이용하여 정성 및 정량 분석하는 방법이다. 전이금속 착화합물의 d오비탈에서 transition이 일어나면 그것에 의한 chromophore을 감지하고 분석한다. 고분자 화합물에서는 UV의 사용으로 고분자단의 residual monomer, inhibitor, end groups 등을 알 수 있어 유용하게 사용된다. 또한 다른 analysis방법과 함께 cross confirm하여 더 많은 정보를 얻을 수 있다.Experimental methodAu NPs의 합성148.5mL 증류수와 25.4mM의 HAuCl4를 1.5mL(0.0129g)를 250mL r.b.f에 담는다. (금속 스파출러로 옮길 경우, HAuCl4 가루와 금속이 반응을 하여 오차를 발생시킬 수도 있기 때문에 꼭 유리 피펫으로 옮긴다.)준비한 r.b.f를 데워진 oil bath에 water condenser와 함께 설치한다. 천천히 stirring하면서 가열한다. (우리 실험에서는 heating mantle을 사용했다.) (처음 용액의 색: 연한 노란색)용액이 끓기 시작하면 DI water에 녹인 Trisod 따른 색 변화Figure SEQ Figure * ARABIC 4 citrate에 의한 Au의 변화끓고 있는 Au precursor solution에 Trisodium citrate수용액을 넣은 후 용액의 색은 무색→남색→보라색→빨간색 순으로 변했다. Gold nanoparticle의 크기가 증가함에 따라 표면 플라즈몬 공명 관련 흡수의 파장은 더 길고 붉어진다. 또한 보이는 색은 반대로 점점 푸른색 쪽으로 변한다. 따라서 Au precursor solution의 색이 점점 붉어지는 것을 바탕으로 용액 속 Au particle의 크기가 점점 작아짐을 알 수 있다.Figure SEQ Figure * ARABIC 5 Au NPs 용액의 UV-Vis spectrumDiameterNanoparticles/mLPeak SPRWavelengthMolar Ext(M-1cm-1)5 nm5.47 x 1013515-520 nm1.10 x 10710 nm5.98 x 1012515-520 nm1.01 x 10815 nm1.64x10125203.67x10820 nm6.54 x 1011524 nm9.21 x 10830 nm1.79 x 1011526 nm3.36 x 109Figure SEQ Figure * ARABIC 6 크기에 따른 gold nanoparticle의 특성Au NPs 용액의 UV-Vis spectrum을 통해 용액은 518.60nm의 파장에서 최대흡광도를 나타냄을 알 수 있다. Figure 6에 나와있는 크기에 따른 gold nanoparticle의 특성을 참고하여 볼 때 용액 속 gold nanoparticle은 지름이 5~10nm의 크기로 존재하는 것을 확인할 수 있다.PS-b-P4VP 필름의 SEM결과Figure SEQ Figure * ARABIC 7 PS-b-P4VP 필름의 SEM결과PS-b-P4VP 필름의 SEM결과를 보면, 필름을 Au NPs용액에 30분 담갔을 때, 하나의 BCFs단위에 2~3개의 gold nanoparticle이 혼성화되었다. 필름을수 있다.QuestionWhat is the definition of “BCPs” and “inverse micelle/micelle”?BCPs는 block copolymer의 준말이다. 고분자의 일부분이 AAAAABBBBBAAAAA모양처럼 두 가지 이상의 화학적으로 구별되는 고분자 사슬들이 공유결합에 의해 반복적으로 연결된 중합체를 말한다. 이와 대조적으로 ABAAABBAAABAABA모양은 random copolymer이라고 한다.Micelle은 hydrophilic head와 hydrophilic tail의 특징을 가진 단량체가 모여 하나의 입자를 형성한 것을 말한다. hydrophobic 입자가 수용액에 존재할 경우 이를 안에 두고 hydrophobic tail이 감싸는 구조를 만든다. 바깥쪽의 hydrophilic head가 주위 물 분자와 수소결합을 하기 때문에 micelle은 상대적으로 안정적이다. Inverse micelle은 단량체의 배향이 반대인 입자로 유기용매 속에서 이와 같은 형태로 존재한다.Figure SEQ Figure * ARABIC 9 micelle과 inverse micelle의 구조What are the advantages of “bottom-up” nanofabrication as opposed to “top-down” approach?자가조립 과정에서 bottom-up방법을 사용하면 top-down방법보다 더 경제적으로 고분자를 합성할 수 있다. 기존의 top-down방법을 사용할 때에는 원하는 재료의 적층, 패턴의 전사, 그리고 선택적인 재료 제거 등 일련의 반복 공정이 필요하여 비싼 전문장비가 필요하다. 하지만 bottom-up방법은 기존의 반도체 공정 설비를 이용하여 대량생산을 통해 비용을 낮출 수 있다는 큰 장점이 있다. 따라서 bottom-up방법이 자가조립 과정에서 더 효율적이다.Explain in your own words what is meant by the terms “self-assembly” and “LSe * ARABIC 12 structures of sodium citrateWhat derives the interaction between Au NPs and pyridinyl groups of reconstructed PS-b-P4VP thin layer?EtOHWhich properties are exhibited when bulk Au turns into Au NPs?색이 붉은색으로 바뀌었고, 최대흡광도를 나타내는 파장의 범위가 작아졌다.Explain how the extinction peak position of Au NPs correlates with the color of the solution.peak가 나타나는 파장이 커지면서 용액의 색은 붉은 계열로 변했다. (Red shift)What affects the position of LSPR band of gold nanoparticles?LSPR band의 위치와 세기는 나노 구조체의 표면 유전상수, 모양, 크기, 구성 등에 따라 달라진다. 따라서 금속 표면 분자흡수의 증가는 유전상수를 높이거나 LSPR band의 파장과 세기를 변화시킬 수 있다.What information can you get from the AFM and SEM investigations?AFM을 통해 분석물질의 표면에 대한 선과 면에 대한 분석, 거칠기, 부착력, 굴절률 등의 정보를 알 수 있다.SEM을 통해 분석물질의 표면 모양과 그 두께 등의 정보를 알 수 있다. 정량적 분석이 가능하다. 고배율의 측정이 가능하다.Give an example of the design of a sensing or catalysis system based on the LSPR effect of Au NPs. You can look up books or published research papers for references.Figure SEQ Figure * ARABIC 13 Au NP-labelled systemAU NPs는 LSPR

자연과학| 2018.09.17| 11페이지| 4,000원| 조회(548)

이화여대, 이화여자대학교, 화학실험기법, Nanofabrication, 화실기, Polymer Self-assembl

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Vibration-Rotation spectroscopy of HCl 평가A+최고예요

Vibration-Rotation spectroscopy of HClAbstract이번 실험에서는 HCl에 적외선을 분광하여 Rotational-Vibration spectrum을 얻는다. Spectrum의 peak를 통해 wavenumber를 얻을 수 있고, 이를 통해 HCl의 진동수와 m을 구한다. 또한, Rotational constant, vibration-rotation interaction constant를 결정하고 이를 이용해 polynomial coefficient를 계산하고, 결합길이를 문헌값과 비교해 본다.Introduction조화 진동자진동하는 분자의 가장 간단한 모형은 조화 진동자이다. 조화 진동자란 진동의 퍼텐셜 에너지가 변위의 제곱에 비례하는 항만으로 표시될 때의 진동하는 계를 말한다. (kq2/2=2π2mv2q2) 조화 진동자의 에너지는 으로 표현된다. 이 때 h는 Plank상수, ώ는 진동 양자수, v는 진동수이다. 조화 진동자는 분자의 진동 혹은 고체 중의 원자 또는 분자의 진동을 근사적으로 나타내는 좋은 모델이다. 이원자 분자의 진동 에너지의 전이는 적외선 영역의 빛과 상호작용하기 때문에 적외선 영역의 흡수 스펙트럼을 관찰하여 진동 스펙트럼을 얻을 수 있다.강체 회전자강체 회전자는 진동은 하지 않고 회전만 하는 분자로, 회전하는 이원자 분자를 가장 간단하게 나타내는 모형이다. 두 원자가 질량이 없는 막대에 연결되어 회전하는 상황을 가정하는데, 그때의 회전 에너지는 으로 표현된다. Be는 rational constant이고, J는 회전의 quantum number이다. 또한, 각각의 회전준위는 축퇴되어(degeneracy) 있다. 회전상수 Be는 분자의 고유한 성질을 나타내며 회전 에너지를 회전상수에 대하여 풀어 정리하면 이다.비조화 진동자이론적인 조화 진동자를 만족하지 않는 것을 비조화 진동자라고 한다. 실제 많은 이원자 분자들의 진동 퍼텐셜 에너지가 조화 진동자의 진동 퍼텐셜 에너지 포물선을 벗어난다. 따라서, 이를 설명하기 는데, 다음과 같다. 이 때, De는 해리 에너지이고, a는 조화 진동자의 오차를 나타내는 상수이다. 이 식을 통해 양자역학에 의한 진동 에너지 준위를 정리하면 이다.Rotational-Vibrational SpectroscopyRotational-Vibrational Spectroscopy는 molecular spectroscopy 의 한 종류로 분자구조를 결정하는 데에 가장 유용하게 쓰이는 방법 중 하나이다. 분자의 회전, 진동, 등을 연구할 때 마이크로파, 자외선, 적외선, 가시광선이 이용된다. 그 중 적외선을 흡수하면 분자 내 결합의 진동 에너지 준위와 회전 에너지 준위는 전이를 일으키는데, 이 때 발생하는 것이 rotational-vibrational spectrum이다. 그리고 이러한 분자들을 IR active하다고 한다. 분자의 진동 에너지는 양자화되어 있으며 진동 바닥 상태(v=0)에서 진동 들뜬 상태(v=1)로 전이하고, 분자의 회전 에너지는 특정 회전 상태로부터 다른 회전 상태로 전이한다. 이와 같이, 이원자 분자의 경우 진동과 회전이 동시에 일어나므로 이때의 에너지 준위는 기존 조화 진동자만으로는 설명할 수 없다. 따라서 실제 이원자 분자의 에너지 준위를 알기 위해서는 비조화성, 원심력, 회전상수의 진동 상태에 대한 의존도 등을 고려하여야 한다. 이 떄의 에너지 준위를 표현하면 다음과 같다.여기서, 첫번째 항은 조화 진동자의 효과를, 두번째 항은 Xe를 도입하여 비조화 진동의 영향을 나타낸 것이다. 세번째 항은 강체 회전자, 네번째 항은 원심력에 의해 늘어나는 효과이다. 마지막 항은 진동과 회전이 함께 일어났을 때 서로 상호작용하는 것을 고려한 항이다. 이를 통해 실제 이원자 분자의 에너지를 계산할 수 있다.선택규칙에너지 준위는 선택 규칙에 따라 전이가 일어난다. 첫 번째는 gross selection rule이다. 전자의 전이가 일어날 때 반드시 쌍극자 모멘트의 변화가 있어야 한다. 두 번째는, specific selection rule이 경우 , 강체 회전자의 경우 의 전이가 일어나야 한다. 이 때 +1일 경우를 R-branch, 0일 경우를 Q-branch, -1일 경우를 P-branch 라고 하며 해당하는 진동수는 다음과 같다.P-branch:Q-branch:R-branch:새로운 상수 m을 도입하여 위의 세 식을 하나로 표현하면 이다. 이 때 m은 P-branch에서 m=-J이고, R-branch에서 m=J+1이다.스펙트럼의 분석와 결합력의 상수인 k간의 관계는 다음과 같다.,rotational constant인 B와 결합길이인 Re간의 관계는 다음과 같다.을 polynomial하게 fitting하면 y=c+bx+ax2의 형태로 나타낼 수 있고, 이 때 x=m, 이다.Center frequencies에 대해 다음을 만족한다.,Result and discussionRotational-Vibrational Spectrum위 그림은 파장에 따른 흡광도를 나타낸 그림이다. 2500~3200nm의 확대된 그래프를 보면, 전체적으로 vibration spectrum이 나타나며, 그 안에 수많은 rotation spectrum이 나타나는 것을 관찰할 수 있다. 또한, 2900nm의 Q branch를 기준으로 왼쪽은 P branch 영역, 오른쪽은 R branch 영역임을 알 수 있다. 각 피크의 값을 양자 수에 따라 P(0), P(1)∙∙∙, R(0), R(1)∙∙∙로 나타내고, 다시 P와 R을 m으로 나타내면 아래의 표와 같다.JmWavenumberAbsorbanceJmWavenumberAbsorbanceP(1)1-12864.7480.415R(0)012905.5600.400P(2)2-22844.4040.467R(1)122926.1000.527P(3)3-32822.2980.511R(2)232944.8420.519P(4)4-42798.4300.477R(3)342965.1860.487P(5)5-52776.3240.398R(4)452980.5640.416P(6)6-62752.4560.305R(5)56296P(7)7-72728.5880.231R(6)673014.5240.269P(8)8-82704.8800.181R(7)783029.9020.196P(9)9-92677.6480.132R(8)893045.2800.148P(10)10-102653.7800.108R(9)9103058.8960.118P(11)11-112624.7860.085R(10)10113072.5120.094P(12)12-122599.3170.077R(11)11123086.1280.082P(13)13-132570.3230.074R(12)12133097.9820.076Fitting가로 축을 m으로, 세로 축을 wavenumber로 그래프를 그리고 fitting하여 그래프의 식을 알아보았다.y=B0(intercept)+B1x+B2x2이므로, m과 wavelength의 관계식은 y=2886.400+20.34739x-0.30626x2이다. 또한, y=c+bx+ax2로 표현될 때, 이므로, =2886.400, =0.30626, =10.4799이다.H-Cl의 평균 결합 길이=10.4799을 이용하여 HCl의 결합길이를 구하면 다음과 같다.따라서, H-Cl의 평균 결합 길이는 실험적으로 1.280Å이다. 이는 문헌값인 1.313Å와 약 2.5%만의 오차를 보이며 매우 유사한 결과를 나타냈다.와 구하기Introduction에서 알아본 바와 같이, 2886.400=-2와, 5668.7=2-6의 두 식을 통하여 와 를 구하였다. 각각 =2990.2, =0.01737의 결과를 나타냈다.k와 D구하기이므로, D=2990.2/(4x0.01737)=43036.845이다. 또한, 이므로, k=1.06x1022이다.P와 R branch가 doublet으로 나오는 이유H-Cl에서 Cl은 원자량 35와 37인 동위원소가 3:1의 비율로 존재한다. 이에 따라 두 동위원소의 에너지가 조금 달라져서 큰 피크와 작은 피크가 동시에 doublet으로 나타난다.Boltzmann distribution for rotational state위 그림n distribution을 응용한 식 , 을 통해 298K에서 P-branch의 J 값에 따른 Boltzmann distribution for rotational states를 그린 그래프이다. 계산 결과 알려져 있는 Boltzmann distribution 그래프와 유사하게 나타나는 것을 관찰할 수 있다. 또한, 그래프를 통해 maximum intensity rotational peak는 J=2.60일 때 3.89로 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서 거꾸로 계산하여 실험 시의 온도 T를 예측하면 T=298.99K이다.ConclusionsIR spectrum의 Infrared영역의 빛을 이용하여 Rotational-Vibration spectroscopy의 실험결과값을 얻고 HCl 원자간 결합을 확인해볼 수 있었다. 에너지 준위값을 통해 HCl의 원자간 결합길이를 알 수 있었다. 진동 에너지는 조화진동자 모델을 사용하여 알아보았고, 회전 에너지는 강체회전자 모델을 사용하여 알아보았다. 실험 결과 나온 피크들을 R-branch, P-branch로 나눈 후 이를 이용해 HCl의 결합길이, 해리에너지, 등을 구하고 문헌값과 비교해보았으며 비슷한 결과를 나타냈다.ReferencesAtkins, Physical chemistry 9th. Oxford.Herzberg, G. Spectra of Diatomic Molecules Van Nostrand, Princeton, New Jersey, 1950. Hyperlink "http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%BC%ED%99%94_%EC%88%98%EC%86%8C" http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%BC%ED%99%94_%EC%88%98%EC%86%8C대한화학회, 물리화학실험 1999Department of Chemistry & Nanoscience, Ewha Womans University. Physical Methods in Chemistry I Lab Ma

자연과학| 2018.09.17| 8페이지| 4,000원| 조회(562)

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Time-resolved Thermal Lens Calorimetry 평가A+최고예요

Time-resolved Thermal Lens Calorimetry Abstract 빛이 굴절률이 다른 두 물질 사이의 경계를 지나면 그 경로가 굴절된다. 이와 같이 서로 다른 굴절률을 갖는 용액 간에 유도되는 thermal lens effect의 원리를 알고, laser spectroscopy를 이용하면 용매와 물질의 다양한 물리적 성질을 알 수 있다. Laser beam이 sample이 들어있는 cell을 통과하면 thermal lens effect가 발생하고, 빛의 세기는 시간에 따라 감소한다. 빛의 세기의 변화량은 sample의 열용량(Cp), 열전도도에 따라 달라지기 때문에 이를 통해 용매의 실험적인 열용량과 열전도도를 구하고, 이론값과 비교할 수 있다. 또한 Beer’s law를 이용하여 sample 속 dye molecule의 흡광계수(ε)도 구할 수 있다. Introduction Laser spectroscopy는 laser beam을 이용하여 물질과 에너지의 상호작용을 연구하는 학문이다. 광원으로부터 빛이 나와 입자에 도달하면 입자는 excitation되고, 다시 ground state로 되돌아오는 과정에서 형광과 인광, 그리고 non-radiative process인 열로 에너지를 방출한다. 이번 실험에서는 non-radiative process에 대해 알아보고자 한다. 실험에서는 He-Ne laser beam을 사용했으며, 632.8nm의 파장을 가지며 붉은 빛을 띤다. He-Ne laser beam을 이용한 실험의 sample은 632.8nm 파장의 빛을 흡수해야 하므로, 620~680nm에서 최대 흡광도를 가지는 물질이어야 한다. 따라서, 붉은색을 흡수하며 푸른색을 띠는 물질을 선택한다. 빛은 굴절률이 다른 두 매질 사이의 경계를 지날 때, 그 경로가 굴절된다. Laser에서 방출된 빛이 sample용액에 도달하면 공기에서 용액으로 매질이 변하기 때문에 굴절하게 된다. 용액으로 굴절되어 들어온 빛의 일부는 sample에 흡수되어 다시은 마치 오목렌즈를 통과한 것과 같이 확산하게 된다. 이러한 현상을 thermal lens effect라고 한다. Figure 2는 이를 나타낸 그림이다. a는 빛의 흡수가 일어나지 않을 때, b는 sample에 의해 thermal lens effect가 일어났을 때의 그림이다. c에서 나타낸 것처럼 빛의 경로가 마치 오목렌즈를 통과한 것 같이 보임을 알 수 있다. 결과적으로 빛의 확산에 의해 detector에는 보다 작은 세기의 빛이 감지된다. Figure 3은 laser spectrometer의 구조를 나타낸 그림이다. 일반적으로 light source, monochromator, photo detector, display로 구성되어있다. 광원에서 나온 laser beam은 경로를 따라 진행하다가 chopper를 만난다. Chopper는 연속된 laser를 일정한 주기로 끊어주는 역할을 한다. 따라서 빛이 oscilloscope에 도달했을 때 intensity가 일정한 주기로 반복되는 그래프를 그린다. Figure 4는 thermal lens effect가 나타날 때의 beam intensity를 나타낸 그래프다. Pump on/off에서 oscilloscope의 역할을 볼 수 있다. 또한 그래프에서 같은 pump on 상태에서도 시간에 따라 intensity가 감소하는 경향을 보인다. 앞서 설명했듯이, thermal lens effect가 발생할 때 열의 확산이 일어나고, 따라서 시간이 지날수록 단위 면적 당 intensity가 감소한다. Thermal lens effect에서 감소하는 빛의 세기는 시간에 따라 영향을 받는 것을 알 수 있는데, 그 정도는 시료의 열전도도와 열용량에 영향을 받게 된다. 즉, thermal lens effect는 시간, 용매의 열전도도, 열용량에 의존하고 이는 다음과 같은 관계식으로 설명된다. --- 식 1 여기서, tc는 빛의 세기가 1/e가 될 때까지 걸리는 시간, w는 sample의 빛이 쏘이는 spot size, Cpte green oxalate 927.00476 0.0002mol/1L*927.00476 g/mol*0.05L =0.00927g Azulene 128.17052 0.05mol/1L*128.17052 g/mol*0.005L =0.03204g Method 아세톤과 메탄올을 각각 용매로 하는 0.0002M의 malachite green oxalate 50ml를 준비한다. 또한 아세톤과 메탄올을 각각 용매로 하는 0.05M의 azulene 5ml를 준비 한다. (malachite green oxalate를 용매 50ml에 0.0093g을 넣고, azulene은 용매에 0.032g을 넣고 5ml가 되도록 만든다.) He-Ne laser와 기계를 켜고, 실험하기 전 10분동안 laser를 예열한다. 반사경들과 chopper와 focusing lens를 조정해 laser가 oscilloscope로 바로 들어갈 수 있도록 한다. sample이 담긴 cuvet을 기계 안에 넣는다. iris와 초점거리를 조정해 oscilloscope의 signal이 올바른 파형을 가지는지 확인한다. 신호를 잡기 위해 정지 버튼을 누르고 이 신호를 컴퓨터 프로그램으로 보낸다. (oscilloscope computer program를 실행해 signal을 얻은 후, signal의 파형을 excel data로 변환하여, 필요한 구간을 뽑아내어 exponential 함수의 그래프로 fitting시킨 다. fitting시킨 이 그래프는 의 값을 가지게끔 하여, origin program 으로 A1과 R0와 y0의 값을 얻어낼 수 있다.) ⑥에서 얻은 data를 이용하여 열용량과 molar absorption을 구한다. Result and discussion oscilloscope 그래프와 data oscilloscope 그래프 data 분석은 다음과 같이 진행하였다. -excel로 data를 옮긴 후, time을 x축으로 voltage를 y축으로 설정하여 그래프를 그린다. -그래프의 exponentia류가 발생한 것으로 추측한다. tc구하기 tc를 구하기 위해 식 2를 I(t)에 관해 정리하면 이다. 앞서, 그래프를 에 맞추어 fitting했으므로 각각 y=I(t), =-1/, x=t, =I(∞), A=에 대응함을 알 수 있다. 각 결과의 R0값을 이용하여 tc를 구하면 다음과 같다. malachite green oxalate-acetone malachite green oxalate-methanol azulene-acetone azulene-methanol R0 -492.34485 -204.91867 -259.19028 -296.58696 tc(s) 0.002031097 0.004879985 0.003858169 0.003371692 Cp구하기 Cp는 식 1을 통해 구할 수 있다. 식 1을 Cp에 관한 식으로 정리하면 p=

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Spectroelectrochemical Study of Benzyl Viologen 평가A+최고예요

Spectroelectrochemical Studyof Benzyl ViologenAbstract순환 전압전류법(cyclic voltammetry, CV)을 이용하여 Benzyl Viologen이 산화, 환원 상태에 따라 분광학적 특성이 어떻게 달라지는지 알아보고, 그 변화가 일어나는 potential을 찾아본다. +1가의 Benzyl Viologen가 충분히 생성되는 potential을 측정하고, 그 때의 UV흡수스펙트럼을 관찰한다. 시간이 흐름에 따라 흡광도가 어떻게 변화하는지 관찰한다. 또한 Benzyl Viologen에 β-cyclodextrin을 첨가했을 때 어떤 변화가 일어나는지 그 영향을 파악한다.Introduction순환 전압전류법(cyclic voltametry, CV)전기화학(electrochemistry)은 전기현상과 이에 따른 물질의 변화의 관계를 연구하는 학문이다. 물질에 전기가 흐르면 전자의 이동현상이 발생하고, 이에 따라 산화-환원반응이 일어난다. 따라서 전기적인 흐름을 이용하여 물질의 정량 및 정성분석을 할 수 있다. 전기화학을 이용한 분석법에는 전하량법(culometry), 전류법(amperometry), 전압전류법(voltammetry), 전위차법(potentiometry) 등이 있다. 이 중 전압전류법은 전기화학적 과정 중 전류와 전압 간의 관계를 관찰하는 모든 기술을 총칭하는 말이다. 작업전극에 전압을 가하면서 이에 따른 전류의 변화를 관찰하여 분석물질에 대한 정량 및 정성적인 정보를 얻을 수 있다. 또한 산화-환원 반응에 따른 반응 메커니즘도 유추할 수 있다. 이 실험에서는 전압전류법의 하나인 순환 전압전류법(cyclic voltammetry)을 이용하여 Benzyl Viologen의 산화상태에 따른 potential의 위치를 알아보았다.Figure SEQ Figure * ARABIC 1 CV의 전압주사 형태Figure SEQ Figure * ARABIC 2 순환 전압전류곡선순환 전압전류법은 Figure 1과 같이 삼각나 반쪽전지의 환원전위 계산, 산화-환원반응의 가역성 등을 알아낼 수 있다.Spectro-electrochemistry analysis많은 실험에서 전기화학에 분광학을 접목하여 더 많은 정보를 얻는다. 이를 분광 전기화학(spectro-electrochemistry analysis)이라고 한다. 그 중 가장 많이 사용되는 방법은 투명전극(optically transparent electrode, OTE)을 사용하여 전기화학적 실험을 진행하면서 동시에 전해 생성물의 UV-Vis spectrospectrum을 얻는 방법이다. 투명 전극은 광투과성을 가지고 있으면서도 전도성이 있는 전극이다. 주로 산화 주석, 산화 인듐, 백금, 금 등의 박막을 유리에 피복한 것을 전극으로 사용한다. 이 실험에서는 산화 인듐과 산화 주석을 피복한 ITO(Indium Tin Oxide)기판을 사용한다. 이를 통해 β-cyclodextrin의 Benzyl Viologen에 대한 영향을 분광학적으로 알아볼 수 있다.Benzyl Viologen(BV)Figure SEQ Figure * ARABIC 3 Viologen의 산화-환원형태Viologen은 네 가지 산화-환원 상태에 따라 가역적으로 색변화를 나타내어 electrochromic system에 사용된다. 2가 양이온 Viologen(CmCnV2+)은 무색을 띠고, 1차 환원 후 1가 라디칼 양이온 Viologen(CmCnV•+)이 되면 푸른색을 나타낸다. 2차 환원을 통해 중성 Viologen(CmCnV0)이 되면 노란색을 나타낸다. 이합체의 중성 Viologen(CmCnV•+)2은 보라색을 나타낸다. CmCnV•+은 CmCnV2+과 CmCnV0이 만나 균등화 반응을 통해 생성된다. 여기서 균등화 반응이란 같은 분자이지만 산화수가 다른 두 물질이 만나 두 개의 산화수가 같은 물질을 생성하는 가역반응이다. 또한 Viologen은 수용액 내에서 이합체 반응이 일어나 dimer인 (CmCnV•+)2을 형성하기도 한다.CmCnV0 + CmC의 길이, Cyclodextrin 구멍의 크기 등에 따라 달라진다. 일반적으로 Cyclodextrin과 같은 속이 빈 polynmer은 반응물과 착화합물을 형성하여 반응을 억제하는 데 사용된다. Viologen과의 반응에서도 α-, β-cyclodextrin은 단량체가 이합체 반응을 하지 못하도록 막는 역할을 한다.Experimental methodMaterials(1) CH Instruments와 650 Potentiostat을 준비한다.(2) UV-Vis spectrometer를 준비한다(3)Three-electrode electrochemical cell은 다음과 같은 전극들로 구성된다.Working electrode: glass carbon으로 되어있고 메인 전극으로 반응을 일으키기 위해 사용되는 전극Reference electrode: 기준 전극으로 potential 기준을 정해준다. 매번 같은 것을 사용해야 한다. Ag/AgCl로 구성되어 있다.Auxiliary electrode: 보조전극으로 백금 선으로 되어있고 반응에 도움을 주는 전극이다.(4) Benzyl viologen dichloride (MW: 409.35 g/mol) 무색 결정,(5) β-cyclodextrin(β-CD) (MW: 1134.98 g/mol)(6) Potassium chloride(KCl) (MW: 74.55 g/mol)Methods-CV측정(1) 1 mM BV(0.004g), 0.1 M KCl(0.075g)의 수용액 10ml를 만든다. : Solution 1(2) 1 mM BV(0.004g), 0.1 M KCl(0.0075g), 20 mM β-CD(0.226g)의 수용액 10ml를 만든다. : Solution 2(3) 실험 전 stirring bar를 이용하여 충분히 섞이게 한다. (sonication을 사용함)(4) (1)에서 제조한 용액을 cell에 넣고, 증류수로 세척한 working electrode(초록색), reference electrode(흰색), auxi로 구성된 Solution 2의 그래프이다.Figure SEQ Figure * ARABIC 6 Benzyl Viologen의 Cyclic Voltammogram(CV)Figure SEQ Figure * ARABIC 7 Benzyl Viologen+β-cyclodextrin의 Cyclic Voltammogram(CV)각 그래프의 가로축은 Potential이고, 세로축은 Current를 의미한다. Potential은 그래프의 오른쪽으로 갈수록 더 큰 음의 값을 가진다. 따라서 그래프의 위쪽은 환원 current를 나타내고, 아래쪽은 산화 current를 나타냄을 알 수 있다. 그래프에서 peak는 물질의 산화-환원 반응이 일어나는 시점이다. 왜냐하면, 반응이 일어날 때 전자가 이동하므로 전류가 가장 높게 측정되기 때문이다.환원반응이 일어나는 동안에는 3개의 peak가 발견된다. Sample 1과 2 모두 약 -0.4V의 potential에서 첫 번째 peak가 나타나는데, 이는 기준전극에서 일어나는 산소의 환원에 의한 peak임을 추론할 수 있다. 이후 분석물질의 환원이 일어나는데, Viologen은 세 가지의 산화형태를 취하기 때문에 두 번의 환원이 일어날 수 있다. 두 번째 peak는 Viologen이 +2가에서 +1가로 환원되면서 나타나고, 세 번째 peak는 +1가에서 0가로 환원되면서 나타남을 알 수 있다. 따라서 +2의 환원 그래프가 끝나고 +1가의 환원이 시작되는 변곡점의 potential에서 +1가의 Benzyl Viologen(BV+)을 충분히 얻을 수 있다. 실험 결과 Solution 1에서는 -0.68V, Solution 2에서는 -0.69V로 측정되었다. 산화반응이 일어나는 동안에는 Solution 1은 2개의 peak, Solution 2은 1개의 peak가 발견되었다. Solution 2의 경우 큰 하나의 peak가 나타났는데, 두 번의 산화반응에서 산화 potential이 유사해서 peak가 겹쳐 나온 것으로 추정할 수 있다. 또한,러나, CV그래프는 정상결과를 나타냈다.) UV측정시 설치에 오류가 발생했을 수도 있다. 정확한 원인을 알지 못했던 가장 큰 이유는 결과를 제대로 확인하기 전에 제조한 Solution을 버려버렸기 때문이다. 결국 새로운 Solution을 제조하여 UV실험을 다시 진행했고, 마침내 정상적인 결과를 얻을 수 있었다.첫 번째 그래프는 Benzyl Viologen의 UV-Vis spectrum이다. 최대 흡광도는 368.66nm, 537.00nm에서 측정되었다. (BV+·)2의 최대 흡광도는 360nm, 520nm으로 알려져 있다. 약간의 오차는 있지만 그 값이 유사하다는 점에서 Solution 1은 BV+·로의 환원반응 후 바로 이합체 반응이 진행 되여 Benzyl Viologen의 dimer를 형성하였음을 알 수 있다. 두 번째 그래프는 Benzyl Viologen+β-cyclodextrin의 UV-Vis spectrum이다. 최대 흡광도는 403.39nm, 603.04nm에서 측정되었다. BV+·의 최대 흡광도가 396nm, 602nm임을 미루어 볼 때 Solution 2에서는 BV+·로의 환원반응은 일어났지만, 이합체반응은 일어나지 않았음을 알 수 있다. Cyclodextrin은 BV+·와 함께 라디칼 착화합물을 형성하여 dimer의 생성을 억제함을 확인했다. 실제로, UV측정 후 투명전극인 ITO기판을 확인했을 때 BV+·의 색인 푸른색으로 변한 것을 관찰할 수 있었다.Conclusions이번 실험에서는 전기분석방법 중 하나인 분광 전기화학 분석을 이용하여 Benzyl Viologen의 산화-환원 메커니즘과 potential에 따른 current 그래프에서 각 peak가 무엇을 의미하는지 알아보았다. 그리고 +1가 양이온 BV+·가 생성되기에 충분한 potential을 측정했다. 또한 이 potential을 계속 흘려주었을 때 시간에 따라 UV흡광도가 어떻게 변하는지, 각 Solution의 최대 흡광도에 따라 생성물을 알아보고, Cyclodextrin이 Berum

자연과학| 2018.09.17| 10페이지| 4,000원| 조회(215)

이화여대, 이화여자대학교, 화학실험기법, Benzyl Viologen, 화실기

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