빛이 만드는 금속표면의 정공(hole) 세계 최초 실시간 관찰

(대전=뉴스1) 심영석 기자

금속-반도체 접합 나노 다이오드로부터 실시간으로 촬영한 핫홀의 검출 모습. (KBSI 제공) ©뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = 국내 연구진이 빛이 금속 표면에 닿는 순간 만들어지는 정공(hole)인 플라즈모닉 핫홀의 생성·소멸 등 전 과정을 세계 최초로 실시간 관측에 성공했다.

차세대 고효율 에너지 소자 개발, 바이오센서 감도 향상 등 다양한 응용연구가 가속화 될 전망이다.


26일 한국기초과학지원연구원(이하 KBSI)에 따르면 소재분석연구부 이문상 박사 연구팀과 KAIST 화학과 박정영 교수 연구팀은 플라즈모닉 핫홀(이하 핫홀)을 관찰하기 위해 금속-반도체 접합 나노다이오드(이하 나노다이오드)를 제작하고 빛에 의한 표면변화를 분석했다.

그 결과, 빛에 의해 금속 표면의 전자들이 집단으로 진동하는 ’국소 표면 플라즈몬 공명‘ 현상에 의한 정공(hole)인 플라즈모닉 핫홀을 실시간 관찰했다.

핫홀의 수명은 수 펨토(10^-15초)정도로 매우 짧아 검출 자체가 불가능에 가까웠고, 특히 실시간으로 그 모습을 관찰하는 것은 대표적인 분석난제로 꼽혔다.


세계적으로도 극소수의 연구팀만이 간접적인 방법으로 핫홀의 발생양상을 유추하는 정도의 연구방법만이 알려져 있었다.

이러한 분석 상의 난제로 인해 화학반응을 촉진한다는 핫홀의 기능이 이미 알려져 있었음에도 실제 소자 개발에 활용하지는 못했다.

왼쪽부터 KBSI 소재분석연구부 이문상 선임기술원, KAIST 화학과 박정영 교수, KAIST 화학과 이현화 박사과정 학생© 뉴스1

공동연구팀의 이번 연구로 핫홀의 실시간 분석에 성공했다는 것뿐 아니라 광센서 분야에서의 활용 가능성도 제시하고 있어, 향후 광센서를 비롯한 다양한 차세대 소자 개발이 기대된다.

또, 계산 시뮬레이션(모의실험)을 활용해 시료 표면의 빛 분포로부터 핫홀의 발생 양상을 유추하는 방법을 고안하고 이를 실제 실험으로 규명했다.

연구팀은 핫홀의 양상을 관찰하기 위해 금/p-질화갈륨(GaN)으로 만든 나노다이오드를 제작하고, 광전도 원자간력 현미경으로 이를 분석했다.

이 현미경은 나노미터 크기의 탐침을 이용해 시료 표면을 훑어가며 각 부분의 전기적 신호를 검출해 이미지화해주는 첨단 분석연구장비다.

KBSI 이문상 박사는 “이번 연구성과가 차세대 인공광합성 소자, 초고효율 광촉매 개발, 에너지 저장 소자 개발, 초고감도 바이오 광센서 개발 등 다양한 분야의 연구개발에서 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구성과는 세계적인 재료분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 사이언스’ 10월22일자에 내지삽화와 논문이 게재됐다.

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