광발광
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1. 개요
광발광(Photoluminescence, PL)은 물질이 빛을 흡수하여 다시 빛을 방출하는 현상을 의미하며, 방출되는 빛의 파장, 강도, 시간적 변화 등을 분석하여 물질의 특성을 연구하는 데 사용된다. 광발광은 공명 형광, 형광, 인광으로 분류되며, 물질의 종류, 여기 조건, 내부 에너지 전이 등에 따라 다양한 형태로 나타난다. 광발광 분광법, 시간 분해 광발광, 공초점 현미경, 변조 광발광 등 다양한 실험 방법을 통해 반도체, 분자 등의 광학적, 전자적 특성을 분석하는 데 활용된다.
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| 광발광 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 발광 |
| 관련 | 물리학, 화학 |
| 상세 정보 | |
| 설명 | 물질이 광자를 흡수한 후 광자를 방출하는 현상 |
| 관련 항목 | 형광, 인광 |
2. 광발광의 형태
광발광은 여기(excitation) 방식, 에너지 전이 과정, 방출되는 빛의 특성 등에 따라 다양하게 분류된다.
물질이 빛 에너지를 흡수하여 다시 방출하기 전에 내부 에너지 전이를 겪을 때, 전자는 광자를 흡수하여 에너지를 얻거나 광자를 방출하여 에너지를 잃으면서 에너지 상태를 변경한다. 화학 관련 분야에서는 이러한 에너지 전이 과정에 따라 형광과 인광을 구분한다.
광발광은 질화 갈륨(GaN) 및 인듐 인(InP)과 같은 반도체의 순도 및 결정 품질을 측정하고, 시스템에 존재하는 무질서의 양을 정량화하는 데 중요한 기술로 사용된다.[7]
2. 1. 공명 형광 (Resonance Fluorescence)
공명 여기는 특정 파장의 빛을 흡수하여, 흡수된 빛과 동일한 파장의 빛을 매우 빠르게 재방출하는 현상이다. 이를 공명 형광이라고도 한다. 용액이나 기체 상의 물질에서 이 과정은 전자를 포함하지만, 흡수와 방출 사이에 화학 물질의 분자적 특징과 관련된 উল্লেখযোগ্য한 내부 에너지 전이는 포함하지 않는다.[4]전자 띠 구조가 형성되는 결정성 무기 반도체에서 이차 방출은 더 복잡할 수 있다. 여기에는 사건이 공명 레일리 산란과 같이 여기 빛장과의 고정된 위상 관계가 유지되는(즉, 손실이 없는 에너지적으로 탄성적인 과정) 결맞음 기여와 비결맞음 기여(또는 일부 에너지가 보조 손실 모드로 채널링되는 비탄성 모드)가 모두 포함될 수 있다.[4] 후자는 예를 들어, 고체 내의 엑시톤, 쿨롱 결합된 전자-정공 쌍 상태의 방사 재결합에서 비롯된다. 공명 형광은 또한 상당한 양자 광학 상관 관계를 보일 수 있다.[4][5][6]
2. 2. 형광 (Fluorescence)

광발광 과정은 방출과 관련하여 여기 광자의 에너지와 같은 다양한 매개변수로 분류할 수 있다.
공명 여기는 특정 파장의 광자가 흡수되고 동등한 광자가 매우 빠르게 재방출되는 상황을 설명한다. 이것은 종종 공명 형광이라고 한다. 용액 또는 기체 상의 물질의 경우, 이 과정은 전자를 포함하지만 흡수와 방출 사이의 화학 물질의 분자적 특징과 관련된 유의미한 내부 에너지 전이는 포함하지 않는다. 전자 띠 구조가 형성되는 결정성 무기 반도체에서 이차 방출은 더 복잡할 수 있다.[4]
물질이 흡수 이벤트로부터 에너지를 재방출하기 전에 내부 에너지 전이를 겪을 때 더 많은 과정이 발생할 수 있다. 전자는 광자를 흡수하여 공명적으로 에너지를 얻거나 광자를 방출하여 에너지를 잃음으로써 에너지 상태를 변경한다. 화학 관련 분야에서는 종종 형광과 인광을 구별한다. 형광은 일반적으로 빠른 과정이지만 원래 에너지의 일부가 소실되어 재방출된 광자 에너지가 흡수된 여기 광자보다 낮아진다. 이 경우 재방출된 광자는 이 손실 후 에너지가 감소했음을 나타내는 적색 편이라고 한다(야블론스키 다이어그램에 표시됨).
2. 3. 인광 (Phosphorescence)
물질이 빛을 흡수하여 들뜬 상태가 된 후, 스핀 다중도(spin multiplicity)가 다른 상태(일반적으로 삼중항 상태)를 거쳐 낮은 에너지 준위로 전이하면서 빛을 방출하는 현상이다. 형광에 비해 상대적으로 느리게 일어난다.광자를 흡수한 전자는 계간 전이를 겪어 수정된 스핀 다중도(항 기호 참조)를 가진 상태, 일반적으로 삼중항 상태에 들어간다.[4] 여기된 전자가 이 삼중항 상태로 전이되면, 양자 역학적으로 낮은 단일항 상태 에너지로 다시 전이(이완)되는 것이 금지되어 다른 전이보다 훨씬 느리게 일어난다. 그 결과, 때로는 몇 분 또는 몇 시간 동안 지속되는 단일항 상태로의 느린 방사 전이가 발생한다. 이것이 "야광" 물질의 기초이다.
2. 4. 시간 분해 광발광 (Time-Resolved Photoluminescence, TRPL)
시간 분해 광발광(Time-Resolved Photoluminescence, TRPL)은 빛 펄스를 이용하여 시료를 여기시킨 후, 시간에 따른 광발광의 세기 변화를 측정하는 방법이다. 이 기술은 갈륨 비소(GaAs)와 같은 III-V 족 반도체의 소수 캐리어 수명을 측정하는 데 유용하다.[7]3. 직접 밴드갭 반도체의 광발광 특성
일반적인 광발광(PL) 실험에서 반도체는 띠간격 에너지보다 큰 에너지를 가진 광자를 제공하는 광원으로 여기된다. 입사광은 반도체 블로흐 방정식으로 설명할 수 있는 편광을 여기시킨다.[8][9] 광자가 흡수되면, 전자는 전도대와 가전자대에서 유한한 운동량 를 갖는 정공(hole)을 형성한다. 그런 다음 여기는 띠간격 최소값으로 에너지와 운동량 완화를 겪는다. 일반적인 메커니즘은 쿨롱 산란과 포논과의 상호 작용이다. 마지막으로, 전자는 광자 방출 하에 정공과 재결합한다.
이상적이고 결함이 없는 반도체는 광-물질 결합 외에 전하 운반체와 격자 진동의 상호 작용을 고려해야 하는 다체 문제이다. 일반적으로 광발광 특성은 내부 전기장 및 광결정과 같은 유전체 환경에 매우 민감하며, 이는 추가적인 복잡성을 부여한다. 정확한 미세한 설명은 반도체 발광 방정식에 의해 제공된다.[8]
3. 1. 이상적인 양자 우물 구조 (Ideal Quantum-Well Structures)
결함이 없는 이상적인 양자 우물 구조는 일반적인 광발광(PL) 실험의 기본 과정을 설명하는 데 유용한 모델 시스템이다. 이 논의는 Klingshirn (2012)[10]와 Balkan (1998)[11]의 발표를 기반으로 한다.가상 모델 구조는 각각 두 개의 제한된 양자화된 전자 및 두 개의 홀 서브밴드, e1, e2 및 h1, h2를 가진다. 이러한 구조의 선형 흡수 스펙트럼은 첫 번째 (e1h1) 및 두 번째 양자 우물 서브밴드 (e2, h2)의 엑시톤 공명과 해당 연속체 상태 및 장벽으로부터의 흡수를 보여준다.
3. 1. 1. 광여기 (Photoexcitation)
레이저 등의 광원을 이용하여 반도체에 빛을 조사하면, 전자가 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 여기(excitation)된다. 여기 조건에 따라 공진(resonant), 준공진(quasi-resonant), 비공진(non-resonant) 여기로 구분된다.일반적인 광발광(PL) 실험에서 반도체는 띠간격 에너지보다 큰 에너지를 가진 광자를 제공하는 광원으로 여기된다. 입사광은 반도체 블로흐 방정식으로 설명할 수 있는 편광을 여기시킨다.[8][9] 광자가 흡수되면, 전자는 전도대와 가전자대에서 유한한 운동량 를 갖는 정공(hole)을 형성한다. 이후 에너지는 띠간격 최소값으로 완화(relaxation)되는데, 일반적인 메커니즘은 쿨롱 산란과 포논과의 상호작용이다. 마지막으로, 전자는 광자 방출 하에 정공과 재결합한다.
이상적인 반도체는 다체 문제이며, 광-물질 결합 외에 전하 운반체와 격자 진동의 상호작용을 고려해야 한다. 일반적으로 PL 특성은 내부 전기장 및 광결정과 같은 유전체 환경에 매우 민감하다. 반도체 발광 방정식은 이에 대한 정확한 설명을 제공한다.[8]
- 공진 여기(Resonant Excitation): 레이저의 중심 에너지가 양자 우물의 가장 낮은 엑시톤 공진에 해당하는 경우이다. 과잉 에너지는 거의 주입되지 않으며, 간섭 과정이 자발적 방출에 큰 영향을 미친다.[4][12] 엑시톤이 직접 생성되지만, PL 검출 시 여기 광원, 표면 거칠기로 인한 미광, 확산 산란을 구별하기 어렵다. 얼룩무늬와 공진 레일리 산란은 항상 간섭성이 없는 방출에 중첩된다.
- 비공진 여기(Non-resonant Excitation): 구조가 약간의 과잉 에너지로 여기되는 경우이다. 대부분의 PL 실험에서 사용되며, 분광기나 광학 필터를 사용하여 여기 에너지를 구별할 수 있다.
- 준공진 여기(Quasi-resonant Excitation): 여기 에너지가 바닥 상태보다 높지만 전위 장벽 흡수 가장자리 아래인 경우이다. (예: 첫 번째 하위 밴드의 연속체) 편광 붕괴가 공진 여기보다 훨씬 빠르며, 양자 우물 방출에 대한 간섭성 기여는 무시할 수 있다. 초기 운반체 온도는 격자 온도보다 높으며, 전자-정공 플라즈마가 생성된 후 엑시톤이 형성된다.[13][14]
장벽 여기의 경우, 양자 우물 내 초기 운반체 분포는 장벽과 우물 사이의 운반체 산란에 크게 의존한다.
3. 1. 2. 완화 (Relaxation)
여기된 전자와 정공(hole)은 쿨롱 상호작용, 포논과의 상호작용 등 여러 메커니즘을 통해 에너지를 잃고 띠간격 최소값으로 완화된다.[8][9]3. 1. 3. 방사 재결합 (Radiative Recombination)
이상적이고 결함이 없는 반도체에서 광발광(PL)은 광-물질 결합 외에도 전하 운반체와 격자 진동의 상호 작용을 고려해야 하는 다체 문제이다. PL 특성은 내부 전기장 및 유전체 환경(예: 광결정)에 매우 민감하여 복잡성이 더해진다. 반도체 발광 방정식은 이에 대한 정확한 미세한 설명을 제공한다.[8]광 여기 직후 방출되는 빛은 스펙트럼상 매우 넓지만, 가장 강한 엑시톤 공명 근처에 집중되어 있다. 캐리어 분포가 완화되고 냉각됨에 따라 PL 피크의 폭이 감소하고, 무질서가 없는 이상적인 샘플의 경우 방출 에너지가 엑시톤(예: 전자)의 기저 상태와 일치하도록 이동한다. PL 스펙트럼은 전자와 정공의 분포에 의해 정의되는 준정상 상태 형상에 접근한다.
여기 밀도를 증가시키면 방출 스펙트럼이 변경된다. 낮은 밀도에서는 엑시톤 기저 상태가 지배적이다. 캐리어 밀도 또는 격자 온도가 증가함에 따라 이러한 상태가 점점 더 많이 채워지면서 더 높은 하위 밴드 전이로부터 추가 피크가 나타난다. 또한, 여기 유도 탈위상으로 인해 주 PL 피크의 폭이 여기 강도가 증가함에 따라 현저하게 증가하며, 방출 피크는 쿨롱 재정규화 및 위상 채움으로 인해 에너지에서 약간의 이동을 경험한다.
일반적으로 엑시톤 개체수와 플라즈마, 즉 상관되지 않은 전자와 정공 모두 반도체 발광 방정식에 설명된 바와 같이 광발광의 원천으로 작용할 수 있다.[8] 둘 다 매우 유사한 스펙트럼 특징을 생성하며 이를 구별하기 어렵지만, 방출 역학은 크게 다르다. 엑시톤의 붕괴는 단일 지수 감쇠 함수를 생성하는데, 이는 엑시톤의 방사 재결합 확률이 캐리어 밀도에 의존하지 않기 때문이다. 상관되지 않은 전자와 정공의 자발적 방출 확률은 전자와 정공 개체수의 곱에 대략 비례하며, 결국 쌍곡선 함수로 설명되는 비단일 지수 감쇠를 초래한다.
3. 2. 무질서 효과 (Effects of Disorder)
실제 물질은 격자 내의 구조적 결정 결함[21] 또는 화학적 조성 변화로 인한 무질서와 같은 불규칙성을 항상 포함한다. 이러한 불규칙성은 이상적인 구조에서 벗어나기 때문에, 이를 미시적 이론으로 다루기는 매우 어렵다.[22] 따라서 광발광(PL)에 대한 외부 효과의 영향은 일반적으로 현상학적으로 다룬다.[22] 실험에서 무질서는 캐리어를 국소화할 수 있으며, 국소화된 캐리어는 자유 캐리어만큼 쉽게 비방사 재결합 중심으로 이동할 수 없기 때문에 광발광 수명을 크게 늘릴 수 있다.사우디 아라비아의 킹 압둘라 과학 기술 대학교(KAUST) 연구원들은 InGaN/GaN p-i-n 이중 이종 구조 및 AlGaN 나노와이어의 광 유도 엔트로피(열역학적 무질서)를 온도 의존적 광발광을 이용하여 연구했다.[7][23] 연구진은 광 유도 엔트로피를 캐리어 재결합 및 광자 방출 과정에서 유용한 일로 변환될 수 없는 시스템 에너지의 가용성을 나타내는 열역학적 양으로 정의했다. 또한, 시간 분해 광발광 연구 결과를 통해 나노와이어 활성 영역에서 엔트로피 생성 변화와 광캐리어 동역학 변화를 연결했다. 연구진은 InGaN 층에서 생성된 무질서의 양이 온도가 실온에 가까워짐에 따라 표면 상태의 열적 활성화로 인해 결국 증가한다고 가정했다. 반면, AlGaN 나노와이어에서는 무질서 증가가 미미하게 관찰되었는데, 이는 더 넓은 밴드갭 반도체에서 무질서로 인한 불확실성이 낮다는 것을 의미한다. 광 유도 엔트로피를 연구하기 위해 과학자들은 광 여기 및 광발광으로 발생하는 순 에너지 교환을 고려하는 수학적 모델을 개발했다.
4. 광발광 물질
광발광 과정은 방출과 관련하여 여기 광자의 에너지와 같은 다양한 매개변수로 분류할 수 있다.
공명 여기는 특정 파장의 광자가 흡수되고 동등한 광자가 매우 빠르게 재방출되는 상황을 설명한다. 이것은 종종 공명 형광이라고 한다. 용액 또는 기체 상의 물질의 경우, 이 과정은 전자를 포함하지만 흡수와 방출 사이의 화학 물질의 분자적 특징과 관련된 유의미한 내부 에너지 전이는 포함하지 않는다. 전자 띠 구조가 형성되는 결정성 무기 반도체에서 이차 방출은 더 복잡할 수 있다.[4]
물질이 흡수 이벤트로부터 에너지를 재방출하기 전에 내부 에너지 전이를 겪을 때 더 많은 과정이 발생할 수 있다. 전자는 광자를 흡수하여 공명적으로 에너지를 얻거나 광자를 방출하여 에너지를 잃음으로써 에너지 상태를 변경한다. 화학 관련 분야에서는 종종 형광과 인광을 구별한다. 형광은 일반적으로 빠른 과정이지만 원래 에너지의 일부가 소실되어 재방출된 광자 에너지가 흡수된 여기 광자보다 낮아진다. 이 경우 재방출된 광자는 이 손실 후 에너지가 감소했음을 나타내는 적색 편이라고 한다(야블론스키 다이어그램에 표시됨). 인광의 경우, 광자를 흡수한 전자는 계간 전이를 겪어 수정된 스핀 다중도를 가진 상태, 일반적으로 삼중항 상태에 들어간다. 여기된 전자가 이 삼중항 상태로 전이되면 다른 전이보다 훨씬 느리게 일어난다는 의미에서 양자 역학적으로 낮은 단일항 상태 에너지로 다시 전이(이완)되는 것이 금지된다. 그 결과 때로는 몇 분 또는 몇 시간 동안 지속되는 단일항 상태로의 느린 방사 전이가 발생한다. 이것이 "야광" 물질의 기초이다.
광발광은 GaN 및 InP와 같은 반도체의 순도 및 결정 품질을 측정하고 시스템에 존재하는 무질서의 양을 정량화하는 중요한 기술이다.[7]
시간 분해 광발광(TRPL)은 시료를 빛 펄스로 여기시킨 다음 시간에 따른 광발광의 붕괴를 측정하는 방법이다. 이 기술은 갈륨 비소(GaAs)와 같은 III-V 반도체의 소수 캐리어 수명을 측정하는 데 유용하다.
형광 온도 측정법에서, 광발광 과정의 온도 의존성은 온도를 측정하기 위해 활용된다.
5. 실험 방법
광발광 과정은 방출과 관련하여 여기 광자의 에너지와 같은 다양한 매개변수로 분류할 수 있다.
공명 여기는 특정 파장의 광자가 흡수되고 동등한 광자가 매우 빠르게 재방출되는 상황으로, 종종 공명 형광이라고 한다. 용액 또는 기체 상의 물질에서 이 과정은 전자를 포함하지만, 흡수와 방출 사이의 화학 물질 분자 특징과 관련된 유의미한 내부 에너지 전이는 포함하지 않는다. 전자 띠 구조가 형성되는 결정성 무기 반도체에서 이차 방출은 더 복잡할 수 있다.[4]
물질이 흡수로부터 에너지를 재방출하기 전에 내부 에너지 전이를 겪을 때 더 많은 과정이 발생할 수 있다. 전자는 광자를 흡수하여 공명적으로 에너지를 얻거나 광자를 방출하여 에너지를 잃음으로써 에너지 상태를 변경한다. 화학 관련 분야에서는 형광과 인광을 구별한다. 형광은 일반적으로 빠른 과정이지만 원래 에너지의 일부가 소실되어 재방출된 광자 에너지가 흡수된 여기 광자보다 낮아진다. 이 경우 재방출된 광자는 이 손실 후 에너지가 감소했음을 나타내는 적색 편이라고 한다(야블론스키 다이어그램 참조). 인광의 경우, 광자를 흡수한 전자는 계간 전이를 겪어 수정된 스핀 다중도를 가진 상태, 일반적으로 삼중항 상태에 들어간다. 여기된 전자가 이 삼중항 상태로 전이되면 다른 전이보다 훨씬 느리게 일어난다는 의미에서 양자 역학적으로 낮은 단일항 상태 에너지로 다시 전이(이완)되는 것이 금지된다. 그 결과 때로는 몇 분 또는 몇 시간 동안 지속되는 단일항 상태로의 느린 방사 전이가 발생한다. 이것이 "야광" 물질의 기초이다.
광발광은 GaN 및 InP와 같은 반도체의 순도 및 결정 품질을 측정하고 시스템에 존재하는 무질서의 양을 정량화하는 중요한 기술이다.[7]
시간 분해 광발광(TRPL)은 시료를 빛 펄스로 여기시킨 다음 시간에 따른 광발광의 붕괴를 측정하는 방법이다. 이 기술은 갈륨 비소(GaAs)와 같은 III-V 반도체의 소수 캐리어 수명을 측정하는 데 유용하다.
5. 1. 광발광 분광법 (Photoluminescence Spectroscopy)
광발광 분광법(Photoluminescence Spectroscopy)은 시료에 빛을 조사하여 방출되는 빛의 스펙트럼을 분석하는 방법이다.일반적인 PL 실험에서 반도체는 띠간격 에너지보다 큰 에너지를 가진 광자를 제공하는 광원으로 여기된다. 입사광은 반도체 블로흐 방정식으로 설명할 수 있는 편광을 여기시킨다.[8][9] 일단 광자가 흡수되면, 전자는 각각 전도대와 가전자대에서 유한한 운동량을 갖는 홀을 형성한다. 그런 다음 여기는 띠간격 최소값으로 에너지와 운동량 완화를 겪는다. 일반적인 메커니즘은 쿨롱 산란과 포논과의 상호 작용이다. 마지막으로, 전자는 광자 방출 하에 홀과 재결합한다.
이상적이고 결함이 없는 반도체는 광-물질 결합 외에 전하 운반체와 격자 진동의 상호 작용을 고려해야 하는 다체 문제이다. 일반적으로 PL 특성은 내부 전기장 및 유전체 환경(예: 광결정)에 매우 민감하며, 이는 추가적인 복잡성을 부여한다. 정확한 미세한 설명은 반도체 발광 방정식에 의해 제공된다.[8]
광발광 분광법은 반도체 및 분자의 광학적, 전자적 특성을 특성화하는 데 널리 사용되는 기술이다. 이 기술은 빠르고, 비접촉식이며, 비파괴적이다. 따라서 복잡한 시료 준비 없이 제작 과정에서 다양한 크기(마이크론에서 센티미터까지)의 재료의 광전자 특성을 연구하는 데 사용할 수 있다.[24] 예를 들어, 태양 전지 흡수체의 광발광 측정을 통해 재료가 생산할 수 있는 최대 전압을 예측할 수 있다.[25] 화학 분야에서는 이 방법을 형광 분광법이라고 부르는 경우가 더 많지만, 장비는 동일하다. 완화 과정은 광발광의 감쇠 수명을 찾기 위해 시간 분해 형광 분광법을 사용하여 연구할 수 있다. 이러한 기술은 현미경 기술과 결합하여 시료(예: 반도체 웨이퍼 또는 형광 분자로 표시된 생물학적 시료) 전체의 광발광 강도(공초점 현미경) 또는 수명(형광 수명 이미징 현미경)을 매핑할 수 있다. 변조 광발광은 광발광 신호의 복잡한 주파수 응답을 정현파 여기(excitation)에 대해 측정하는 특정 방법으로, 강도 보정 없이 소수 캐리어 수명을 직접 추출할 수 있다. 이는 다양한 패시베이션(passivation) 방식을 갖는 결정질 실리콘 웨이퍼에서 과잉 캐리어의 재결합에 대한 계면 결함의 영향을 연구하는 데 사용되어 왔다.[26]
5. 2. 시간 분해 형광 분광법 (Time-Resolved Fluorescence Spectroscopy)
광발광 분광법은 형광 분광법이라고도 불리며, 완화 과정은 시간 분해 형광 분광법을 사용하여 연구할 수 있다. 이를 통해 광발광의 감쇠 수명을 찾을 수 있다.[24] 이 기술은 현미경 기술과 결합하여 시료(예: 반도체 웨이퍼 또는 형광 분자로 표시된 생물학적 시료) 전체의 광발광 강도(공초점 현미경) 또는 수명(형광 수명 이미징 현미경)을 매핑할 수 있다.5. 3. 공초점 현미경 (Confocal Microscopy)
형광 분광법이라고도 불리는 광발광 분광법은 현미경 기술과 결합하여 시료 전체의 광발광 강도를 매핑할 수 있는데, 이를 공초점 현미경이라고 한다. 예를 들어 반도체 웨이퍼나 형광 분자로 표시된 생물학적 시료에 사용될 수 있다.[24]5. 4. 변조 광발광 (Modulated Photoluminescence)
변조 광발광은 정현파 여기(excitation)에 대해 광발광 신호의 복잡한 주파수 응답을 측정하는 특별한 방법으로, 강도 보정 없이 소수 캐리어 수명을 직접 추출할 수 있다.[26] 이는 다양한 패시베이션 방식을 갖는 결정질 실리콘 웨이퍼에서 과잉 캐리어의 재결합에 대한 계면 결함의 영향을 연구하는 데 사용되어 왔다.[26] 주기적으로 변조된 여기 광원을 사용하여 광발광 신호를 측정한다.참조
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