hotchpotch/wikipedia-multilingual-ir-pairs huggingface dataset:
경험적 관계 근사치
일부 경험적 관계는 현상을 설명하는 해석적 해의 테일러 급수의 처음 몇 항과 종종 동일한 단순한 근사치일 뿐이다. 다른 관계들은 특정 조건에서만 유효하여 더 일반적인 관계의 특수 사례로 축소된다. 일부 근사치, 특히 현상학적 모델은 이론과 모순될 수도 있다. 이러한 모델은 일부 이론보다 수학적으로 다루기 쉽고 결과를 산출할 수 있기 때문에 사용된다.
에너지 분산 엑스선 분광학
에너지 분산 엑스선 분광학(Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS, EDX, EDXS 또는 XEDS)은 때때로 에너지 분산 엑스선 분석(EDXA 또는 EDAX) 또는 에너지 분산 엑스선 미세분석(EDXMA)이라고도 불리며, 시료의 원소 분석 또는 화학적 특성 평가에 사용되는 분석 기술이다. 이는 엑스선 여기원과 시료의 상호작용에 의존한다. 이 특성 평가 능력은 각 원소가 고유한 원자 구조를 가지고 있어 방출 스펙트럼에 고유한 일련의 피크를 허용한다는 근본적인 원리(이는 분광학의 주요 원리이다)에 크게 기인한다. 피크 위치는 일반적인 EDX 기기의 실험적 해상도보다 훨씬 더 나은 정확도로 모즐리의 법칙에 의해 예측된다.
에너지 분산 엑스선 분광학
시편에서 특성 엑스선 방출을 유도하기 위해 전자 또는 엑스선 빔이 연구 중인 시료에 집중된다. 정지 상태에서 시료 내 원자는 핵에 결합된 개별 에너지 준위 또는 전자 껍질에 바닥 상태(또는 비여기) 전자를 포함한다. 입사 빔은 내부 껍질의 전자를 여기시켜 전자를 껍질에서 방출시키면서 전자가 있던 곳에 양공을 생성할 수 있다. 그런 다음 외부의 더 높은 에너지 껍질의 전자가 양공을 채우고, 더 높은 에너지 껍질과 더 낮은 에너지 껍질 간의 에너지 차이가 엑스선 형태로 방출될 수 있다. 시편에서 방출되는 엑스선의 수와 에너지는 에너지 분산 분광계로 측정할 수 있다. 엑스선의 에너지가 두 껍질 간의 에너지 차이와 방출 원소의 원자 구조에 특성적이므로, EDS는 시편의 원소 조성을 측정할 수 있게 한다.
에너지 분산 엑스선 분광학 장비
EDS 설정의 4가지 주요 구성 요소는 다음과 같다.
전자 빔 여기는 전자현미경, 주사전자현미경(SEM) 및 주사투과전자현미경(STEM)에 사용된다. 엑스선 빔 여기는 엑스선 형광(XRF) 분광계에 사용된다. 검출기는 엑스선 에너지를 전압 신호로 변환하는 데 사용된다. 이 정보는 펄스 처리기로 전송되어 신호를 측정하고 데이터 표시 및 분석을 위해 분석기로 전달한다. 가장 일반적으로 사용되는 검출기는 액체 질소로 극저온까지 냉각되는 Si(Li) 검출기였다. 현재는 열전냉각 시스템을 갖춘 실리콘 드리프트 검출기(SDD)가 장착된 새로운 시스템이 자주 사용된다.
위험 및 안전
에너지 분산 엑스선 분광학 기술적 변형
새로 생성된 양공을 채우기 위해 내부 껍질로 이동하는 전자의 과잉 에너지는 엑스선 방출 이상의 일을 할 수 있다. 종종 엑스선 방출 대신 과잉 에너지가 더 바깥 껍질의 세 번째 전자에게 전달되어 이 전자의 방출을 유도한다. 이렇게 방출된 입자를 오제 전자라고 하며, 이 분석 방법은 오제 전자 분광학(AES)으로 알려져 있다.
X선 광전자 분광학(XPS)은 AES와 유사한 방식으로 방출된 전자를 활용하는 EDS의 또 다른 밀접한 관련 기술이다. 방출된 전자의 양과 운동 에너지에 대한 정보는 이 자유화된 전자의 결합 에너지를 결정하는 데 사용되며, 이는 원소별 특성을 가지며 시료의 화학적 특성화를 가능하게 한다.
에너지 분산 엑스선 분광학 기술적 변형
EDS는 종종 그 분광학적 상대인 파장 분산 X선 분광학(WDS)과 비교된다. WDS는 특수 결정에서 엑스선의 회절을 사용하여 원시 데이터를 스펙트럼 구성 요소(파장)로 분리한다는 점에서 EDS와 다르다. WDS는 EDS보다 훨씬 더 미세한 스펙트럼 해상도를 갖는다. WDS는 또한 EDS의 인공물(거짓 피크, 증폭기 노이즈, 마이크로포닉스)과 관련된 문제를 피한다.
엑스선 대신 전자 또는 양성자와 같은 고에너지 하전 입자 빔을 사용하여 시료를 여기시킬 수 있다. 이를 입자 유도 엑스선 방출 또는 PIXE라고 한다.
에너지 분산 엑스선 분광학 정확도
EDS는 시료에 존재하는 화학 원소를 결정하는 데 사용될 수 있으며, 상대적인 풍부도를 추정하는 데 사용될 수 있다. EDS는 또한 금속 코팅의 다층 코팅 두께 측정 및 다양한 합금 분석에 도움이 된다. 시료 조성의 정량적 분석 정확도는 다양한 요인의 영향을 받는다. 많은 원소들은 겹치는 엑스선 방출 피크를 가질 것이다(예: Ti Kβ 및 V Kα, Mn Kβ 및 Fe Kα). 측정된 조성의 정확도 또한 시료의 특성에 의해 영향을 받는다. 엑스선은 입사 빔에 의해 충분히 여기된 시료 내의 모든 원자에 의해 생성된다. 이러한 엑스선은 모든 방향(등방성)으로 방출되므로 모두 시료를 빠져나가지 못할 수 있다. 엑스선이 시편을 빠져나가 검출 및 측정에 활용될 가능성은 엑스선의 에너지와 검출기에 도달하기 위해 통과해야 하는 물질의 구성, 양 및 밀도에 따라 달라진다. 이러한 엑스선 흡수 효과 및 유사한 효과로 인해 측정된 엑스선 방출 스펙트럼으로부터 시료 조성의 정확한 추정은 정량적 보정 절차를 적용해야 하며, 이는 때때로 매트릭스 보정이라고도 불린다.
에너지 분산 엑스선 분광학 새로운 기술
실리콘 드리프트 검출기(SDD)라고 불리는 새로운 EDS 검출기로의 경향이 있다. SDD는 전자가 작은 수집 애노드로 구동되는 고저항 실리콘 칩으로 구성된다. 이점은 이 애노드의 극도로 낮은 정전 용량에 있으며, 이는 더 짧은 처리 시간을 활용하고 매우 높은 처리량을 허용한다. SDD의 장점은 다음과 같다.
SDD 칩의 정전 용량이 검출기의 활성 영역과 무관하기 때문에 훨씬 더 큰 SDD 칩을 활용할 수 있다(40 mm2 이상). 이는 훨씬 더 높은 계수율 수집을 가능하게 한다. 대면적 칩의 추가 이점은 다음과 같다.
관심 있는 엑스선 에너지가 ~ 30 keV를 초과하는 경우, 기존 실리콘 기반 기술은 검출기 정지력 감소로 인해 양자 효율이 좋지 않다. 텔루르화 카드 뮴(CdTe) 및 텔루르화 카드뮴 아연(CdZnTe)과 같은 고밀도 반도체로 생산된 검출기는 더 높은 엑스선 에너지에서 효율이 향상되었으며 실온 작동이 가능하다. 단일 원소 시스템, 그리고 최근에는 고에너지 엑스선 이미징 기술(HEXITEC) 시스템과 같은 픽셀화된 이미징 검출기는 100 keV에서 약 1%의 에너지 해상도를 달성할 수 있다.
에너지 분산 엑스선 분광학 새로운 기술
최근 몇 년 동안 초전도 미세열량계를 기반으로 하는 다른 유형의 EDS 검출기도 상용화되었다. 이 새로운 기술은 EDS의 동시 감지 기능과 WDS의 높은 스펙트럼 해상도를 결합한다. EDS 미세열량계는 흡수체와 초전도 전이 가장자리 센서(TES) 온도계의 두 가지 구성 요소로 구성된다. 전자는 시료에서 방출된 엑스선을 흡수하여 이 에너지를 열로 변환한다. 후자는 열 유입으로 인한 온도 변화를 측정한다. EDS 미세열량계는 역사적으로 낮은 계수율 및 작은 검출기 영역을 포함한 여러 단점으로 인해 어려움을 겪었다. 계수율은 열량계 전기 회로의 시간 상수에 의존하여 방해를 받는다. 열용량을 작게 유지하고 열 감도(해상도)를 최대화하기 위해 검출기 영역은 작아야 한다. 그러나 수백 개의 초전도 EDS 미세열량계 배열 구현으로 계수율과 검출기 영역이 개선되었으며, 이 기술의 중요성이 커지고 있다.
초미세 구조 (생물학)
초미세 구조(ultrastructure)는 표준 광학 현미경보다 높은 배율에서 볼 수 있는 세포 및 생체 재료의 구조이다. 이는 전통적으로 세포, 생물학적 조직 또는 장기와 같은 생물학적 표본을 볼 때 기존 투과전자현미경의 해상도 및 배율 범위를 의미했다. 초미세 구조는 주사 전자 현미경 및 초고해상도 현미경으로도 볼 수 있지만, TEM은 초미세 구조를 보기 위한 표준 조직학 기술이다. 세포가 지정된 환경에서 제대로 기능할 수 있도록 하는 세포소기관과 같은 세포 구조는 초미세 구조 수준에서 검사할 수 있다.
초미세 구조는 분자 계통 발생과 함께 유기체를 분류하는 신뢰할 수 있는 계통 발생 방법이다. 초미세 구조의 특징은 재료 특성을 제어하고 생체 적합성을 촉진하기 위해 산업적으로 사용된다.
초미세 구조 (생물학) 역사
1931년, 독일 공학자 막스 크놀과 에른스트 루스카는 최초의 전자 현미경을 발명했다. 이 현미경의 개발과 발명으로, 생물학자들이 세포의 미세 조직에 점차 관심을 갖게 되면서 탐색하고 분석할 수 있는 관찰 가능한 구조의 범위가 엄청나게 증가했다. 이 새로운 연구 분야는 초미세 구조라고도 알려진 하부 구조에 관심을 가졌다.
초미세 구조 (생물학) 응용
많은 과학자들은 다음을 포함하되 이에 국한되지 않는 것들을 연구하기 위해 초미세 구조 관찰을 사용한다:
초미세 구조 (생물학) 생물학
식물 세포에서 발견되는 일반적인 초미세 구조적 특징은 옥살산 칼슘 결정의 형성이다. 이러한 결정은 성장 또는 발달에 필요할 때까지 세포 내에 칼슘을 저장하는 기능을 하는 것으로 이론화되었다.
옥살산 칼슘 결정은 동물에서도 형성될 수 있으며, 신장 결석은 이러한 초미세 구조적 특징의 한 형태이다. 이론적으로 나노박테리아는 옥살산 칼슘 신장 결석 형성을 줄이는 데 사용될 수 있다.
초미세 구조 (생물학) 공학
초미세 구조를 제어하는 것은 세포의 행동을 제어하는 데 공학적 용도로 사용된다. 세포는 세포외기질 (ECM)의 변화에 쉽게 반응하므로, ECM을 모방하는 재료를 제조하면 세포 주기 및 단백질 발현에 대한 제어를 증가시킬 수 있다.
식물과 같은 많은 세포는 옥살산 칼슘 결정을 생성하며, 이 결정은 일반적으로 식물 세포의 초미세 구조 구성 요소로 간주된다. 옥살산 칼슘은 유약을 제조하는 데 사용되는 재료이며[6], 생체 재료 특성도 가지고 있다. 세포 배양 및 조직공학을 위해 이 결정은 소태아혈청에서 발견되며, 세포 배양을 위한 세포외기질의 중요한 측면이다.
초미세 구조 (생물학) 공학
초미세 구조는 덴탈임플란트를 설계할 때 고려해야 할 중요한 요소이다. 이러한 장치는 뼈와 직접적으로 접촉하므로, 주변 조직에 통합되는 것이 최적의 장치 기능에 필요하다. 치유 중인 덴탈 임플란트에 하중을 가하면 골유착이 얼굴뼈와 함께 증가하는 것으로 밝혀졌다. 임플란트 주변의 초미세 구조를 분석하는 것은 임플란트가 얼마나 생체 적합성이 있는지, 그리고 신체가 이에 어떻게 반응하는지 결정하는 데 유용하다. 한 연구는 돼지 뼈에서 유래한 생체 재료 과립을 이식하자 인체가 그 재료를 초미세 구조에 통합하고 새로운 뼈를 형성하는 것을 발견했다.
수산화인회석은 의료 기기를 초미세 구조를 통해 뼈에 직접 연결하는 데 사용되는 생체 재료이다. 이식편은 𝛃-인산삼칼슘과 함께 생성될 수 있으며, 주변 뼈 조직이 새로운 재료를 세포외기질에 통합하는 것이 관찰되었다. 수산화인회석은 고도로 생체 적합성이 있는 재료이며, 결정 방향과 같은 초미세 구조적 특징은 최적의 생체 적합성을 보장하기 위해 신중하게 제어할 수 있다. 적절한 결정 섬유 방향은 수산화인회석과 같은 도입된 미네랄을 대체하려는 생물학적 재료와 더 유사하게 만들 수 있다. 초미세 구조적 특징을 제어하면 특정 재료 특성을 얻는 것이 가능하다.
팜흐우찌
팜흐우찌(Pham Huu Chi)는 베트남의 외교관으로, 2013년부터 2017년까지 대한민국 주재 베트남 대사를 지낸 인물이다. 2000년대 중반 주한 베트남 대사관에서 공사(참사관)로 활동하며 소말리아 해적에게 납치된 선원 사건과 한국인 배우자에게 폭력을 당한 베트남인 결혼이주 여성 사건 등에서 베트남 국민 보호 업무를 담당하였다. 이후 베트남 외교부 미주국장(베트남어: Vụ trưởng Vụ Châu Mỹ)을 지냈으며, 주대한민국 대사로 재임하는 동안 양국 간 전략적 협력 동반자 관계, 경제·투자 협력, 해양안보와 재외 베트남인 정책을 중점 의제로 다루었다.
팜흐우찌 생애와 경력 형성
베트남 외교부 소속 공무원으로서 대외정책·지역외교 분야에서 근무하였고, 이후 재외공관과 본부에서 국장급 보직을 맡았다.
팜흐우찌 주한 베트남 대사관 공사 시기
2000년대 중반 팜흐우찌는 주한 베트남 대사관에서 참사관 및 공사(Tham tán Công sứ)로 근무하며 대한민국 내 베트남 선원·노동자·결혼이주 여성 관련 사건에서 한국 정부와 협력하였다. 소말리아 해역에서 한국 어선이 해적에게 피랍된 사건과 관련하여 그는 한국 외교부와 협조해 피랍된 베트남 선원의 신원을 확인하고 안전 여부를 설명하였으며, 한국 선박이 구조한 베트남 선원이 귀국할 수 있도록 절차를 지원하였다.
2007년에는 한국인 배우자의 폭력으로 사망한 베트남인 결혼이주 여성 사건과 관련하여, 한국 내 베트남인 배우자들이 학대나 폭력 피해를 겪을 경우 즉시 베트남 대사관에 연락해야 한다고 강조하면서 재외공관의 보호 역할을 부각하였다. 이러한 활동을 통해 그는 재외 베트남인의 안전 보호와 권익 증진을 한국 내 주요 과제로 설정하였다.
팜흐우찌 외교부 본부 보직과 정책 연구
주한 공사 근무 이후 팜흐우찌는 베트남 외교부 본부에서 지역·대외정책 부서의 국장급 보직을 맡아 연구 과제와 정책 자문을 담당하였다. 해당 기간 그는 중국·아세안 관계, 다자경제 협력, 법·사법 협력 등 주제를 다루는 국제 회의와 연구 프로젝트에 참여하였다.
팜흐우찌 주대한민국 베트남 대사 임명
2013년 10월 부임하여 2017년 3월 5일 이임하였다.  재임 종료를 앞두고 권한대행 겸 국무총리 황교안과 면담을 갖고 양국 관계 성과를 평가했다. 그는 주한 베트남 대사관의 공관장으로서 베트남 정부를 대표해 대한민국 정부·국회·지방자치단체·경제단체와의 공식 접촉을 수행하고, 양국 간 전략적 협력 동반자 관계에 따른 정치·경제·문화·안보 협력을 조정하는 역할을 맡았다.
팜흐우찌 한·베 전략적 동반자 관계 인식
팜흐우찌는 여러 연설에서 베트남과 대한민국 관계를 "전략적 협력 동반자 관계"로 규정하며, 정치·안보·경제·문화 전 영역에서의 상호보완성을 강조하였다. 2017년 설립 25주년 기념행사에서 그는 양국이 1992년 수교 이후 짧은 기간에 교역·투자·인적 교류에서 급속한 성장을 이루었으며, 이후 단계에서 혁신·과학기술·창조경제 분야 협력이 중요해질 것이라고 평가하였다. 그는 또한 양국이 역내·글로벌 문제에서 비핵화·평화적 분쟁 해결·다자주의 존중이라는 공통 원칙을 공유한다고 밝히며, 한·베 관계를 "지역·세계 평화와 번영을 위한 기여 관계"로 설명하였다.
팜흐우찌 경제·투자 협력 촉진 활동
주대한민국 대사로 재임하는 동안 팜흐우찌는 한국 기업의 베트남 투자 확대와 베트남 기업의 한국 시장 진출을 주요 과제로 제시하였다. 그는 한·베 FTA 체결 이후 한국이 베트남에 대한 최대 외국인 투자국이 되었으며, 누적 투자액이 수십억 달러 규모에 이르렀다고 설명하면서 한국 기업의 제조·서비스·인프라 분야 투자를 추가로 유치해야 한다고 강조하였다.
2015년 그는 호찌민시 대표단과 함께 대구시를 방문한 자리에서 지방정부·기업 간 협력 확대를 통해 중소기업 투자, 산업단지 개발, 인력 교류를 촉진하겠다는 입장을 밝혔다. 같은 해 대한민국 법무부·한국 국회 지도부와의 면담에서 그는 외국인 노동자 제도 개선, 사법 협력 강화, 투자 분쟁의 법적 안정성을 한·베 경제협력 기반으로 제시하였다.
경상북도 구미시 방문에서는 다문화 정책에 대한 감사의 뜻을 밝히며, 베트남 출신 이주민과 한국 지방도시 간 민간 교류 확대를 통해 장기적으로 투자·무역 협력으로 이어질 수 있다는 기대를 표했다.
팜흐우찌 문화·교육·인적 교류 지원
2014년 광주에서 열린 "응우옌 주와 『춘향전』" 및 "응우옌 주와 『춘향전』, 『김운교전』 비교" 등을 다루는 국제 학술대회에서 그는 베트남 고전문학 연구에 기여한 한국 학계의 역할을 언급하며, 문학·학술 교류가 양국 관계의 장기적 기반이라고 평가하였다.
2016년 서울에서 열린 "베트남 문화축제 및 베트남 노동자의 날" 행사에서 그는 한국 정부가 베트남 근로자와 유학생에게 제공하는 제도적 지원에 감사를 표하고, 문화·스포츠·예술 활동을 통해 베트남 공동체의 단합과 양국 국민 간 우호를 강화하겠다고 밝혔다. 같은 해 베트남 문화관광청이 주관한 제6회 베트남 문화축제에서도 그는 전통 예술·음악·음식 문화를 소개하며 관광·문화교류 확대를 강조하였다.
금호아시아나, 한신공영 등 한국 기업이 베트남 유학생에게 장학금을 수여하는 행사에도 자주 참석하여, 기업의 사회공헌 활동이 양국 인적 교류의 기반이 된다고 발언하였다.
팜흐우찌 베트남 교민 사회와 재외동포 정책
팜흐우찌는 주대한민국 대사로 재임하면서 재한 베트남인 공동체를 한·베 관계의 "가교"로 규정하였다. 설날·국경일·문화행사에서 그는 재한 베트남인들이 한국 사회에 기여하는 노동자·학생·결혼이주자·사업가로 구성되어 있으며, 이들이 양국 간 상호 이해와 신뢰를 쌓는 중요한 역할을 하고 있다고 언급하였다.
결혼이주 여성 정책과 관련하여 그는 2000년대 중반 공사 시절부터 국제결혼 중개 관행의 문제점과 일부 가정에서 발생하는 폭력 사건을 지적하고, 피해를 입은 베트남인 배우자가 즉시 대사관과 연락해 법적·외교적 지원을 받아야 한다고 강조하였다. 2016년 인터뷰에서는 재한 베트남인 규모를 약 14만 2천 명으로 제시하며, 결혼이주자·노동자·유학생이 주요 구성원이라고 설명하였다. 그는 일부 결혼이주 여성의 비극적 사례가 여전히 존재한다는 점을 지적하면서도, 다문화 가정에 대한 한국 정부의 제도 개선으로 다수의 가정이 이전보다 안정된 생활을 누리고 있다고 평가하였다.
팜흐우찌 다자외교와 해양 안보 관점
팜흐우찌는 동아시아 해양안보와 남중국해(베트남어: Biển Đông) 문제를 다루는 국제 학술회의와 토론회에 적극 참여하였다. 2015년 한국에서 열린 남중국해 분쟁의 평화적 해결 방안을 주제로 한 국제회의에서 그는 한국 학계와 시민단체가 주도한 행사가 역내 평화·항행의 자유·국제법 존중을 촉진하는 실질적 기여라고 평가하였다. 그는 남중국해에서의 긴장이 역내 및 세계의 평화·해상 안전·항행의 자유를 위협할 수 있다고 지적하면서, 당사국들이 국제법과 유엔해양법협약(UNCLOS)을 존중하는 평화적 해결 방안을 모색해야 한다는 입장을 밝혔다.
같은 해 베트남의 섬·해양 활동에 대한 사진 전시회에서 그는 한국 사회가 베트남의 해양 주권을 지지해 온 점에 감사의 뜻을 전하고, 학계·언론·시민사회의 연대가 국제 여론 형성에 중요한 역할을 한다고 언급하였다.
팜흐우찌 발언과 정책적 입장
팜흐우찌의 공개 발언은 한·베 관계를 "상호 보완적 경제 구조와 유사한 역사 경험을 가진 두 나라 사이의 장기 파트너십"으로 보는 시각을 보여 준다. 그는 한국을 대(對)베트남 최대 투자국이자 주요 공여국, 기술 협력 파트너로 평가하면서, 제조업·인프라·서비스뿐 아니라 창조산업·스타트업 생태계에서의 협력을 앞으로의 주요 과제로 제시하였다. 아울러 재한 베트남인의 권익 보호와 사회통합, 다문화가정 지원을 외교정책의 필수 요소로 보며, 외교·노동·사법 당국이 협력해 인권과 법적 보호를 강화해야 한다는 입장을 반복적으로 밝혔다.
남중국해 문제에 관해서는 국제법과 평화적 수단을 통한 분쟁 해결 원칙을 강조하고, 역외 국가와 학계·시민사회의 참여를 통해 국제 여론을 형성하는 것이 중요하다고 보았다. 베트남 혁명과 호찌민 사상 관련 학술행사에서는 호찌민의 외교 철학을 "불변을 바탕으로 만변에 대응하는" 실용적 원칙으로 해석하며, 한국 학계의 연구 성과가 베트남 현대사 이해를 심화시킨다고 평가하였다.
위상장 모델
위상장 모델(phase-field model)은 계면 문제를 해결하기 위한 수학적 모델이다. 주로 응고 역학에 적용되어 왔지만, 점성 손가락화와 같은 다른 상황에도 적용되었다. 파괴 역학, 수소취성화, 및 소포 (세포) 역학에 적용되었다.
이 방법은 보조 필드(위상장)의 진화를 위한 편미분 방정식을 통해 계면의 경계 조건을 대체하며, 이 보조 필드는 질서 매개변수의 역할을 한다. 이 위상장은 각 상에서 두 가지 뚜렷한 값(예: +1 및 −1)을 가지며, 계면 주변 영역에서 두 값 사이의 부드러운 변화가 있어 유한한 너비를 가진 확산 상태를 이룬다. 계면의 이산 위치는 위상장이 특정 값(예: 0)을 취하는 모든 점들의 집합으로 정의될 수 있다.
위상장 모델은 일반적으로 무한소 계면 너비(소위 날카로운 계면 한계)에서 올바른 계면 역학이 복원되는 방식으로 구성된다. 이 접근법은 전체 시스템에 대한 편미분 방정식 세트를 통합하여 문제를 해결할 수 있게 해주므로, 계면에서의 경계 조건을 명시적으로 처리하는 것을 피할 수 있다.
위상장 모델
위상장 모델은 픽스(Fix)와 랭거(Langer)에 의해 처음 소개되었으며, 응고 및 다른 분야에서 점차 관심이 커지고 있다. 랭거는 케인-힐리어드 방정식과 앨런-케인 방정식을 결합하여 결빙 문제를 해결할 수 있음을 보여주는 손글씨 노트를 가지고 있었다. 조지 픽스(George Fix)는 프로그래밍 문제에 대해 연구했다. 당시 랭거는 이 방법이 계면 두께가 일반적인 미세 구조의 크기에 비해 너무 작기 때문에 실용적인 용도가 없다고 생각하여 출판하지 않았다.
위상장 모델 위상장 모델의 방정식
위상장 모델은 일반적으로 주어진 계면 역학을 재현하기 위해 구성된다. 예를 들어, 응고 문제에서 전면 역학은 물질의 농도 또는 온도를 위한 확산 방정식과 계면에서의 일부 경계 조건(국소 평형 조건 및 보존 법칙)에 의해 주어진다. 이는 날카로운 계면 모델을 구성한다.
위상장 모델의 여러 공식은 질서 매개변수(위상장)와 확산 필드에 의존하는 열역학적 자유 에너지 함수(변분 공식)를 기반으로 한다. 그런 다음 모델의 방정식은 통계물리학의 일반적인 관계를 사용하여 얻어진다. 이러한 함수는 물리적 고려 사항에서 구성되지만, 계면 너비와 관련된 매개변수 또는 매개변수 조합을 포함한다. 그런 다음 모델의 매개변수는 이 너비가 0으로 가는 모델의 한계를 연구하여 선택되며, 이 한계를 의도된 날카로운 계면 모델과 동일시할 수 있는 방식으로 선택된다.
다른 공식은 열역학적 함수(비변분 공식)를 참조하지 않고 상장 방정식을 직접 작성하는 것으로 시작한다. 이 경우 유일한 참조는 날카로운 계면 모델인데, 이는 위상장 모델의 작은 계면 너비 한계를 수행할 때 복원되어야 한다는 의미이다.
위상장 모델 위상장 모델의 방정식
상장 방정식은 원칙적으로 계면 너비가 문제에서 가장 작은 길이 스케일에 비해 작을 때 계면 역학을 재현한다. 응고에서 이 스케일은 모세관 길이 로, 미시적 스케일이다. 계산적 관점에서 이러한 작은 스케일을 해결하는 편미분 방정식의 통합은 엄청나게 어렵다. 그러나 카르마(Karma)와 라펠(Rappel)은 얇은 계면 한계를 도입하여 이 조건을 완화하고 위상장 모델을 사용한 실용적인 정량 시뮬레이션의 길을 열었다.
컴퓨터 성능의 향상과 위상장 모델링의 이론적 진보로 위상장 모델은 계면 문제의 수치 시뮬레이션을 위한 유용한 도구가 되었다.
위상장 모델은 시스템의 열역학적 자유 에너지에 대한 명시적 표현이 있다면 물리적 인수를 통해 구성할 수 있다. 응고 문제의 간단한 예는 다음과 같다.
위상장 모델 위상장 모델의 방정식
여기서 는 위상장이고, 이며, 는 단위 부피당 국소 엔탈피이고, 는 의 특정 다항식 함수이며,  (여기서 은 잠열이고, 은 녹는점이며, 는 비열이다)이다.  항은 계면 에너지에 해당한다. 함수 는 일반적으로 각 상의 벌크의 자유 에너지 밀도를 나타내는 이중 우물 전위로 취해지며, 이들은  함수의 두 최소값에 해당한다. 상수 와 는 각각 단위 길이당 에너지와 단위 부피당 에너지의 차원을 가진다. 계면 너비는 로 주어진다.
위상장 모델은 다음 변분 관계에서 얻을 수 있다.
여기서 D는 변수 에 대한 확산 계수이고, 와 는 열 요동을 설명하는 확률론적 항(그리고 그 통계적 특성은 요동-소산 정리로부터 얻을 수 있다)이다. 첫 번째 방정식은 위상장의 진화에 대한 방정식을 제공하는 반면, 두 번째 방정식은 확산 방정식으로, 일반적으로 온도 또는 농도(합금의 경우)에 대해 다시 작성된다. 이러한 방정식은 공간을 로, 시간을 로 스케일링하면 다음과 같다.
여기서 은 무차원 계면 너비이고, 이며, , 는 무차원화된 노이즈이다.
위상장 모델 위상장 모델의 방정식
자유 에너지 함수 의 선택은 계면의 물리적 행동에 상당한 영향을 미칠 수 있으므로 신중하게 선택해야 한다. 이중 우물 함수는 임계점 근처의 반데르발스 상태 방정식의 근사치를 나타내며, 위상장 모델이 계면 추적 목적으로만 사용될 때 구현의 단순성 때문에 역사적으로 사용되어 왔다. 그러나 이는 흔히 관찰되는 자발적인 방울 수축 현상을 초래했는데, 임계점 근처의 상태 방정식에 의해 예측되는 높은 상 혼합성으로 인해 상 간의 상당한 상호 침투가 허용되고 결국 특정 임계값보다 작은 반지름을 가진 방울이 완전히 사라질 수 있다. 시뮬레이션 기간 동안 인지되는 연속성 손실을 최소화하려면 이동도 매개변수에 대한 제한이 필요하며, 이는 대류로 인한 계면 번짐, 자유 에너지 최소화로 인한 계면 재구성(즉, 이동도 기반 확산) 및 상 상호 침투(또한 이동도에 따라 달라짐) 사이의 미묘한 균형을 초래한다. 계면 추적 응용 프로그램을 위한 대체 에너지 밀도 함수에 대한 최근 검토에서는 자발적인 방울 수축 현상 및 이동도 제한을 피하는 수정된 형태의 이중 장애 함수를 제안했으며, 이중 우물 함수 및 부피 유체 방법 날카로운 계면 기술을 사용한 여러 벤치마크 시뮬레이션에 대한 비교 결과가 제공된다. 제안된 구현은 이중 우물 함수보다 계산 복잡성이 약간 더 클 뿐이며, 시뮬레이션된 현상의 기간/특성이 상 연속성 문제(즉, 작은 방울, 확장된 시뮬레이션, 다중 계면 등)를 야기하는 위상장 모델의 계면 추적 응용 프로그램에 유용할 수 있다.
위상장 모델 위상장 모델의 방정식
위상장 모델은 날카로운 계면 모델로 표현되는 주어진 계면 역학을 의도적으로 재현하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우 제안된 상장 방정식 세트의 날카로운 계면 한계(즉, 계면 너비가 0으로 갈 때의 한계)를 수행해야 한다. 이 한계는 일반적으로 계면 너비 의 거듭제곱으로 모델 필드의 점근 확장을 통해 취해진다. 이러한 확장은 계면 영역(내부 확장)과 벌크(외부 확장) 모두에서 수행된 다음, 차수별로 점근적으로 일치시킨다. 그 결과 확산 필드에 대한 편미분 방정식과 계면에서의 일련의 경계 조건을 얻을 수 있으며, 이는 날카로운 계면 모델에 해당해야 하며, 이와의 비교를 통해 위상장 모델의 매개변수 값을 얻을 수 있다.
초기 위상장 모델에서는 이러한 확장이 의 낮은 차수까지만 수행되었지만, 최근 모델은 원치 않는 의사 효과를 제거하거나 모델에 새로운 물리학을 포함하기 위해 고차 점근(얇은 계면 한계)을 사용한다. 예를 들어, 이 기술은 운동 효과를 제거하고, 상에서 확산도가 같지 않은 경우를 처리하고, 점성 손가락화 및 이중상 나비에-스토크스 흐름을 모델링하고, 모델에 요동을 포함하는 등에 활용되었다.
위상장 모델 다중 위상장 모델
다중 위상장 모델에서는 미세 구조가 질서 매개변수 세트로 설명되며, 각 매개변수는 특정 상 또는 결정학적 방향과 관련이 있다. 이 모델은 여러 결정립이 진화하는 고체상 변태(예: 결정립 성장, 재결정화 또는 철 합금의 오스테나이트에서 페라이트로의 1차 변태)에 주로 사용된다. 미세 구조 내의 여러 결정립을 설명할 수 있을 뿐만 아니라, 다중 위상장 모델은 특히 기술 합금 등급에서 발생하는 여러 열역학적 상을 고려할 수 있게 한다.
위상장 모델 그래프 기반 위상장 모델
연속체 위상장 모델의 많은 결과는 그래프에 대한 미적분을 유한 가중 그래프에서의 미적분으로 대체하면 그래프에 대한 이산적 유사성을 가진다.
위상장 모델 파괴 역학에서의 위상장 모델링
고체에서의 파괴는 종종 이산 또는 확산 균열 표현을 사용하여 유한 요소 맥락에서 수치적으로 분석된다. 유한 요소 표현을 사용하는 접근법은 종종 요소 내 수준에 내장된 강한 불연속성을 사용하며, 균열 경로를 결정하기 위해 응력, 변형 에너지 밀도 또는 에너지 해방률과 같은 추가 기준이나 가상 균열 폐쇄 기술 및 재메시와 같은 특수 처리가 필요하다. 대조적으로, 확산 균열 표현을 사용하는 접근법은 연속체 손상 모델 및 상장 파괴 이론과 같이 변위장의 연속성을 유지한다. 후자는 그리피스(Griffith) 원리를 변분 형식으로 재구성한 것으로 거슬러 올라가며, 기울기 강화 손상 유형 모델과 유사성을 가진다. 아마도 파괴에 대한 상장 접근법의 가장 매력적인 특징은 균열 시작 및 균열 경로가 탄성 및 파괴 에너지를 결합하는 최소화 문제에서 자동으로 얻어진다는 것이다. 많은 상황에서 균열 핵생성은 탄성 해법과 관련된 임계점 가지를 따라가다가 불안정성을 잃을 때까지 적절하게 설명될 수 있다. 특히, 파괴의 위상장 모델은 탄성 변형 에너지 밀도가 공간적으로 일정할 때도 핵생성을 허용할 수 있다.
위상장 모델 파괴 역학에서의 위상장 모델링
이 접근법의 한계는 핵생성이 응력이 아닌 변형 에너지 밀도에 기반한다는 것이다. 핵생성 구동력을 도입하는 대안적인 관점은 이 문제를 해결하고자 한다.
위상장 모델 집단 세포 이동에서의 위상장 모델
생물학적 세포 그룹은 아데노신 삼인산 소비로 인해 복잡한 방식으로 자체 추진할 수 있다. 응집력 또는 여러 화학주성 물질과 같은 세포 간 상호작용은 조정된 방식으로 움직임을 생성할 수 있으며, 이 현상을 "집단 세포 이동"이라고 한다. 이러한 현상에 대한 이론적 모델은 위상장 모델이며, 각 세포 종에 대한 위상장과 화학주성 인자 농도와 같은 추가 필드 변수를 통합한다. 이러한 모델은 암, 세포 압출, 상처 치유, 형태형성 및 세포 외피 현상과 같은 현상에 사용될 수 있다.
위상장 모델 더 읽어보기
Moelans, Nele; Blanpain, Bart; Wollants, Patrick (2008). 《An introduction to phase-field modeling of microstructure evolution》. 《Calphad》 32. 268쪽. doi:10.1016/j.calphad.2007.11.003.
Steinbach, Ingo (2009). 《Phase-field models in materials science》. 《Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering》 17. Bibcode:2009MSMSE..17g3001S. doi:10.1088/0965-0393/17/7/073001. S2CID 3383625.  지원되지 않는 변수 무시됨: |article-number= (도움말)
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Fries, Suzana G.; Boettger, Bernd; Eiken, Janin; Steinbach, Ingo (2009). 《Upgrading CALPHAD to microstructure simulation: The phase-field method》. 《International Journal of Materials Research》 100. 128쪽. Bibcode:2009IJMR..100..128F. doi:10.3139/146.110013. S2CID 138203262.
Qin, R. S.; Bhadeshia, H. K. (2010). 《Phase field method》 (PDF). 《Materials Science and Technology》 26. 803쪽. Bibcode:2010MatST..26..803Q. doi:10.1179/174328409X453190. S2CID 136124682.
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Donaldson, A.A.; Kirpalani, D.M.; MacChi, A. (2011). 《Diffuse interface tracking of immiscible fluids: Improving phase continuity through free energy density selection》. 《International Journal of Multiphase Flow》 37. 777쪽. Bibcode:2011IJMF...37..777D. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2011.02.002.
Gonzalez-Cinca, R.; Folch, R.; Benitez, R.; Ramirez-Piscina, L.; Casademunt, J.; Hernandez-Machado, A. (2003). 《Phase-field models in interfacial pattern formation out of equilibrium》. 《In Advances in Condensed Matter and Statistical Mechanics, ed. By E. Korutcheva and R. Cuerno, Nova Science Publishers (New York, ), Pp.》 2004. 203–236쪽. arXiv:cond-mat/0305058. Bibcode:2003cond.mat..5058G.  위상장 모델에 대한 검토.
프로바타스(Provatas), 니콜라스(Nikolas); 엘더(Elder), 켄(Ken) (2010). Phase-Field Methods in Materials Science and Engineering. 독일 바인하임: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. doi:10.1002/9783527631520. ISBN 9783527631520
러더퍼드 후방 산란 분광법
러더퍼드 후방 산란 분광법(Rutherford backscattering spectrometry, RBS)은 재료과학에서 사용되는 분석 기술이다. 고에너지 이온 산란(HEIS) 분광법이라고도 불리는 RBS는 시료에 충돌하는 고에너지 이온(일반적으로 양성자 또는 알파 입자) 빔의 후방 산란을 측정하여 재료의 구조와 구성을 결정하는 데 사용된다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 가이거-마스든 실험
러더퍼드 후방 산란 분광법은 때때로 핵물리학의 아버지로 불리는 물리학자 어니스트 러더퍼드 경의 이름을 따서 명명되었다. 러더퍼드는 1909년에서 1914년 사이에 한스 가이거와 어니스트 마스든이 금속박을 통과하는 알파 입자의 산란을 연구하는 일련의 실험을 감독했다. 그들은 알파선 원천의 불완전함으로 인해 발생했다고 믿었던 "방랑 입자"를 제거하려던 중, 러더퍼드는 마스든에게 금박 시료에서 후방 산란을 측정해 보라고 제안했다. 당시 지배적이었던 원자의 톰슨 원자 모형에 따르면, 작은 음전자를 확산된 양전하 영역에 퍼뜨린 형태에서는 고에너지 양전하 알파 입자의 후방 산란은 존재하지 않아야 했다. 기껏해야 알파 입자가 박을 거의 방해받지 않고 통과하면서 작은 편향이 발생해야 했다. 그러나 마스든이 검출기를 알파 입자 원천과 같은 쪽에 놓았을 때, 그는 즉시 눈에 띄는 후방 산란 신호를 감지했다. 러더퍼드에 따르면, "그것은 내 생애에서 일어났던 가장 믿을 수 없는 사건이었다. 그것은 마치 당신이 15인치 포탄을 휴지 조각에 발사했는데 그것이 되돌아와 당신을 때린 것만큼이나 믿을 수 없는 일이었다"라고 말했다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 가이거-마스든 실험
러더퍼드는 가이거-마스든 실험의 결과를 단일의 거대한 양성 입자와의 쿨롱 충돌의 징후로 해석했다. 이로 인해 그는 원자의 양전하가 확산될 수 없으며 대신 단일의 거대한 핵, 즉 원자핵에 집중되어야 한다는 결론을 내렸다. 계산에 따르면 이러한 편향을 일으키는 데 필요한 전하는 전자의 약 100배였으며, 이는 금의 원자 번호에 가까웠다. 이는 N개의 양전하 입자(전하 +e) 또는 양성자로 구성된 양성 핵이 핵 전하를 상쇄하기 위해 N개의 전하 -e 전자가 궤도를 도는 러더퍼드 원자 모형의 개발로 이어졌다. 이 모형은 결국 양자역학의 초기 결과 중 일부를 통합한 보어 원자에 의해 대체되었다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 가이거-마스든 실험
입사 입자의 에너지가 충분히 증가하면 쿨롱 장벽이 초과되고 입사 입자와 충돌한 입자의 파동 함수가 중첩된다. 이는 특정 경우에 핵 반응을 초래할 수 있지만, 산란 단면적이 에너지 함수에 따라 크게 요동하고 더 이상 분석적으로 계산할 수 없더라도 상호 작용은 종종 탄성으로 유지된다. 이 경우를 "탄성 (비러더퍼드) 후방 산란 분광법" (EBS)이라고 한다. 최근 각 상호 작용에 대해 슈뢰딩거 방정식을 풀어 EBS 산란 단면적을 결정하는 데 큰 진전이 있었다. 그러나 경원소를 포함하는 매트릭스의 EBS 분석의 경우, 실험적으로 측정된 산란 단면적 데이터를 활용하는 것도 매우 신뢰할 수 있는 옵션으로 간주된다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 기본 원리
우리는 러더퍼드 후방 산란을 입사 빔의 높은 운동 에너지를 가진 입자(발사체)와 시료에 위치한 정지 입자(표적) 사이의 탄성, 강구 충돌로 설명한다. 여기서 '탄성'이란 충돌 중 입사 입자나 정지 입자의 내부 상태에 에너지가 흡수되지 않으며, 입사 입자의 에너지 손실은 오직 "정지" 입자의 (보통 작은) 반동에 의해서만 발생한다는 것을 의미한다. 핵 상호작용은 일반적으로 탄성이 아니다. 왜냐하면 충돌이 상당한 양의 에너지 방출과 함께 핵 반응을 초래할 수 있기 때문이다. 핵 반응 분석 (NRA)은 경원소 검출에 유용하다. 그러나 이것은 러더퍼드 산란이 아니다.
충돌의 운동학 (즉, 운동량 및 운동 에너지 보존)을 고려하면, 산란된 발사체의 에너지 E1은 초기 에너지 E0에서 감소한다.
여기서 k는 운동학적 계수(kinematical factor)라고 하며,
여기서 입자 1은 발사체, 입자 2는 표적 핵이며, 은 실험실 기준틀 (즉, 관찰자에 상대적인)에서의 발사체 산란 각도이다. 발사체 질량이 표적 질량보다 작을 때는 플러스 부호가, 그렇지 않을 때는 마이너스 부호가 사용된다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 기본 원리
이 방정식은 특정 산란 각도(관찰자에 상대적)에 대한 산란된 발사체의 에너지를 정확하게 결정하지만, 그러한 사건을 관찰할 확률은 설명하지 않는다. 이를 위해서는 후방 산란 사건의 미분 단면적이 필요하다.
여기서 과 는 입사 핵과 표적 핵의 원자 번호이다. 이 방정식은 질량 중심 기준틀로 작성되었으므로 발사체나 표적 핵의 질량 함수가 아니다.
실험실 기준틀에서의 산란 각도 은 질량 중심 기준틀에서의 산란 각도 와 같지 않다 (비록 RBS 실험에서는 보통 매우 유사하지만). 그러나 무거운 이온 발사체는 가벼운 이온을 쉽게 반동시킬 수 있으며, 기하학적 구조가 올바르면 표적에서 방출되어 검출될 수 있다. 이것이 탄성반도측정법 (ERD, 동의어 ERDA, FRS, HFS) 기술의 기본이다. RBS는 종종 H를 쉽게 반동시키는 He 빔을 사용하므로, 시료의 수소 동위원소 함량을 조사하기 위해 동시 RBS/ERD가 자주 수행된다 (1 MeV 이상의 He 빔을 사용한 H ERD는 러더퍼드 산란이 아니다: http://www-nds.iaea.org/sigmacalc 참조). ERD의 경우 실험실 기준틀에서의 산란 각도는 질량 중심 기준틀에서의 산란 각도와 상당히 다르다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 기본 원리
무거운 이온은 가벼운 이온으로부터 후방 산란될 수 없다. 이것은 운동학적으로 금지되어 있다. 운동학적 계수는 실수가 되어야 하며, 이는 실험실 기준틀에서 허용되는 산란 각도를 제한한다. ERD에서는 산란된 빔으로부터의 신호를 금지할 만큼 충분히 큰 반동 각도에 반동 검출기를 배치하는 것이 종종 편리하다. 산란된 이온 강도는 항상 반동 강도에 비해 매우 크며 (러더퍼드 산란 단면적 공식은 산란 각도가 0으로 갈수록 무한대로 간다), ERD의 경우 산란된 빔은 일반적으로 측정에서 어떤 식으로든 제외되어야 한다.
러더퍼드 산란 단면적 공식의 특이점은 물론 비물리적이다. 만약 산란 단면적이 0이라면 발사체가 표적에 전혀 가까이 가지 않는다는 것을 의미하지만, 이 경우 핵을 둘러싼 전자 구름을 관통하지도 않는다. 위에서 보여준 산란 단면적에 대한 순수한 쿨롱 공식은 가림 효과에 대해 보정되어야 한다. 이 가림 효과는 발사체의 에너지가 감소할수록 (또는 동등하게 질량이 증가할수록) 더욱 중요해진다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 기본 원리
큰 각도 산란은 표적 핵에서 산란되는 이온에 대해서만 발생하는 반면, 비탄성 작은 각도 산란은 시료 전자에서도 발생할 수 있다. 이는 입사 이온이 시료로 침투하면서 운동 에너지가 점진적으로 감소하게 하여, 내부 핵에서 후방 산란이 더 낮은 "유효" 입사 에너지로 발생하도록 한다. 마찬가지로 후방 산란된 이온은 시료를 빠져나올 때 전자에 에너지를 잃는다. 이온 에너지가 주어진 거리를 통과한 후 낮아지는 정도를 물질의 저지능이라고 하며 전자 분포에 따라 달라진다. 이 에너지 손실은 이동 거리에 따라 지속적으로 변하므로, 저지능은 다음과 같이 표현된다.
고에너지 이온의 경우 저지능은 일반적으로 에 비례한다. 그러나 저지능의 정확한 계산은 어떤 정확도로도 수행하기 어렵다.
저지능(정확히는 저지력)의 단위는 단위 길이당 에너지이다. 이는 일반적으로 박막 단위로 주어지는데, 즉 eV/(원자/cm2)이다. 박막 두께가 항상 질량/단위 면적(density per unit area)으로 절대적으로 측정되어 두께에 따라 달라질 수 있는 재료 밀도 결정 문제를 피하기 때문에 실험적으로 박막에서 측정되기 때문이다. 저지능은 이제 약 2% 오차로 모든 재료에 대해 알려져 있다. http://www.srim.org를 참조하라.
러더퍼드 후방 산란 분광법 계측
RBS 장비는 일반적으로 세 가지 필수 구성 요소를 포함한다.
상용 RBS 시스템에는 일반적으로 두 가지 일반적인 소스/가속 배열이 사용되며, 1단계 또는 2단계로 작동한다. 1단계 시스템은 이온 소스에 높은 양의 전위가 인가되고 가속 튜브 끝에 접지가 있는 가속 튜브에 연결된 He+ 소스로 구성된다. 이 배열은 간단하고 편리하지만, 시스템에 매우 높은 전압을 인가하는 데 어려움이 있어 1 MeV 이상의 에너지를 달성하기 어려울 수 있다.
2단계 시스템, 즉 "탠덤 가속기"는 He− 이온 소스로 시작하여 가속 튜브 중앙에 양극 단자를 배치한다. 양극 단자에 포함된 스트리퍼 요소는 통과하는 이온에서 전자를 제거하여 He− 이온을 He++ 이온으로 변환한다. 이온은 단자에 끌려 시작하여 통과하면서 양전하를 띠고, 접지에서 튜브를 나올 때까지 반발된다. 이 배열은 더 복잡하지만, 더 낮은 인가 전압으로 더 높은 가속을 달성할 수 있다는 장점이 있다. 인가 전압이 750 kV인 일반적인 탠덤 가속기는 2 MeV 이상의 이온 에너지를 달성할 수 있다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 계측
후방 산란 에너지를 측정하는 검출기는 일반적으로 규소 표면 장벽 검출기이며, N형 반도체 기판 위에 매우 얇은 층(100 nm)의 P형 반도체 규소가 p-n 접합을 형성한다. 검출기에 도달하는 이온은 전자와의 비탄성 산란으로 에너지를 일부 잃고, 이 전자 중 일부는 반도체 원자가띠와 전도띠 사이의 띠틈을 극복하기에 충분한 에너지를 얻는다. 이는 검출기에 입사하는 각 이온이 이온 에너지에 따라 달라지는 수의 전자-정공 쌍을 생성한다는 것을 의미한다. 이 쌍은 검출기에 전압을 인가하고 전류를 측정하여 검출할 수 있으며, 이온 에너지의 효과적인 측정을 제공한다. 이온 에너지와 생성된 전자-정공 쌍 수 사이의 관계는 검출기 재료, 이온 유형 및 전류 측정 효율에 따라 달라진다. 에너지 분해능은 열 변동에 따라 달라진다. 하나의 이온이 검출기에 입사한 후, 전자-정공 쌍이 재결합하는 데 데드 타임이 있어 두 번째 입사 이온을 첫 번째 이온과 구별할 수 없다.
검출기의 각도 의존성은 이동식 검출기를 사용하거나, 보다 실용적으로는 표면 장벽 검출기를 여러 독립적인 셀로 분리하여 직접(180도) 후방 산란 주위의 특정 각도 범위를 독립적으로 측정함으로써 달성할 수 있다. 입사 빔의 각도 의존성은 기울일 수 있는 시료 스테이지를 사용하여 제어된다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 구성 및 깊이 측정
후방 산란 이온의 에너지 손실은 두 가지 과정에 따라 달라진다. 하나는 시료 핵과의 산란 이벤트에서 손실되는 에너지이고, 다른 하나는 시료 전자와의 작은 각도 산란에서 손실되는 에너지이다. 첫 번째 과정은 핵의 산란 단면적에 따라 달라지며, 따라서 핵의 질량과 원자 번호에 따라 달라진다. 특정 측정 각도에서 두 개의 다른 원소의 핵은 입사 이온을 다른 정도로, 다른 에너지로 산란시켜 측정 카운트 대 에너지의 N(E) 플롯에서 별개의 피크를 생성한다. 이 피크는 재료에 포함된 원소의 특징이며, 산란 에너지를 알려진 산란 단면적과 일치시켜 시료의 구성을 분석하는 수단을 제공한다. 상대 농도는 피크의 높이를 측정하여 결정할 수 있다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 구성 및 깊이 측정
두 번째 에너지 손실 과정인 시료 전자의 저지능은 핵 충돌로 인해 발생하는 것과 같은 크고 이산적인 손실을 초래하지 않는다. 대신 전자 밀도와 시료 내 이동 거리에 따라 점진적인 에너지 손실을 발생시킨다. 이 에너지 손실은 시료 내 핵에서 후방 산란되는 이온의 측정 에너지를 핵의 깊이에 따라 연속적으로 낮춘다. 그 결과 N(E) 플롯에서 예상되는 날카로운 후방 산란 피크(폭은 에너지 및 각도 분해능에 의해 결정됨) 대신, 이온이 해당 원소가 차지하는 깊이를 통과함에 따라 낮은 에너지 쪽으로 점진적으로 감소하는 피크가 관찰된다. 시료 내 특정 깊이에서만 나타나는 원소는 이온이 해당 핵에 도달하기 위해 이동해야 했던 거리를 나타내는 양만큼 피크 위치가 이동한다.
따라서 실제로는 RBS N(E) 측정으로부터 구성 깊이 프로파일을 결정할 수 있다. 시료에 포함된 원소는 에너지 스펙트럼에서 피크의 위치로부터 결정할 수 있다. 깊이는 이 피크의 폭과 이동된 위치로부터 결정할 수 있으며, 상대 농도는 피크 높이로부터 결정할 수 있다. 이는 예를 들어 다층 시료의 분석이나 깊이에 따라 구성이 더 연속적으로 변하는 시료의 분석에 특히 유용하다.
이러한 종류의 측정은 원소 구성만을 결정하는 데 사용될 수 있다. 시료의 화학적 구조는 N(E) 프로파일로부터 결정할 수 없다. 그러나 결정 구조를 조사함으로써 RBS를 통해 이에 대한 일부 정보를 얻을 수 있다. 이러한 종류의 공간 정보는 차폐 및 채널링을 활용하여 조사할 수 있다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 구조적 측정: 차폐 및 채널링
입사하는 핵 빔과 결정 구조의 상호 작용을 완전히 이해하려면 두 가지 핵심 개념, 즉 차폐와 채널링을 이해해야 한다.
평행한 궤적을 가진 이온 빔이 표적 원자에 입사할 때, 그 원자로부터의 산란은 빔에 대해 표적 "뒤"의 원뿔형 영역에서 충돌을 방지한다. 이는 표적 원자의 반발 퍼텐셜이 근접한 이온 궤적을 원래 경로에서 벗어나게 하기 때문에 발생하며, 이를 차폐(blocking)라고 한다. 원래 원자로부터 거리 L에서 이 차폐된 영역의 반경은 다음과 같이 주어진다.
이온이 시료 깊숙한 곳에서 산란될 때, 두 번째 원자에서 다시 산란될 수 있으며, 산란된 궤적 방향으로 두 번째 차단된 원뿔을 생성한다. 이는 입사 각도에 대해 검출 각도를 신중하게 변경함으로써 검출될 수 있다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 구조적 측정: 차폐 및 채널링
채널링은 입사 빔이 결정의 주요 대칭축과 정렬될 때 관찰된다. 표면 원자와의 충돌을 피하는 입사 핵은 첫 번째 원자층에 의한 차단으로 인해 시료 깊숙한 곳의 모든 원자와의 충돌에서 제외된다. 원자 간 거리가 차단된 원뿔의 반경에 비해 클 때, 입사 이온은 후방 산란되지 않고 원자 간 거리의 여러 배를 침투할 수 있다. 이는 입사 빔이 대칭 방향 중 하나를 따라 정렬될 때 관찰되는 후방 산란 신호가 크게 감소하는 결과를 가져올 수 있으며, 시료의 규칙적인 결정 구조를 결정할 수 있게 한다. 채널링은 매우 작은 차단 반경, 즉 He+와 같은 고에너지, 낮은 원자 번호 입사 이온에 대해 가장 잘 작동한다.
대칭 방향에 대한 이온 빔 입사 각도의 편차 허용 오차는 차폐 반경에 따라 달라지며, 허용 편차 각도는 다음에 비례한다.
빔이 채널링될 때 RBS 피크의 강도가 대부분의 너비에 걸쳐 감소하는 것이 관찰되지만, 더 큰 피크의 고에너지 끝에서 좁은 피크가 종종 관찰되며, 이는 첫 번째 원자층에서 표면 산란을 나타낸다. 이 피크의 존재는 RBS 측정에 대한 표면 민감도 가능성을 열어준다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 구조적 측정: 차폐 및 채널링
또한, 이온의 채널링은 결정질 시료의 격자 손상을 분석하는 데에도 사용될 수 있다. 표적 내 원자가 결정 격자 위치에서 변위되면, 완전한 결정에 비해 더 높은 후방 산란 수율이 발생한다. 분석 중인 시료의 스펙트럼을 완전한 결정의 스펙트럼과 무작위(채널링이 없는) 방향(비정질 시료의 스펙트럼을 대표함)에서 얻은 스펙트럼과 비교함으로써, 변위된 원자의 비율 측면에서 결정 손상의 정도를 결정할 수 있다. 이 비율을 비정질 상태일 때의 재료 밀도로 곱하면 변위된 원자의 농도에 대한 추정치도 얻을 수 있다. 증가된 후방 산란이 발생하는 에너지는 변위된 원자가 있는 깊이를 결정하는 데에도 사용될 수 있으며, 그 결과 결함 깊이 프로파일을 구축할 수 있다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 표면 민감도
RBS는 일반적으로 시료의 전체 조성 및 구조를 측정하는 데 사용되지만, 시료 표면의 구조 및 조성에 대한 일부 정보를 얻을 수 있다. 전체 신호를 제거하기 위해 신호가 채널링될 때, 입사 및 검출 각도를 신중하게 조작하여 차폐 효과를 활용하여 처음 몇 개의 원자층의 상대 위치를 결정할 수 있다.