KBSI, 빛이 만드는 금속표면 정공 세계 첫 실시간 관찰

김양수 입력 2020. 10. 26. 13:28
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한국기초과학지원연구원(KBSI)은 소재분석연구부 이문상 박사팀과 KAIST 화학과 박정영 교수팀이 공동연구를 통해 빛이 금속 표면에 닿는 순간 만들어지는 정공(hole)인 '플라즈모닉 핫홀(Hot Hole)'의 생성에서 소멸까지 전 과정을 세계 최초로 실시간 관측하는데 성공했다고 26일 밝혔다.

공동 연구팀은 플라즈모닉 핫홀을 관찰키 위해 금속-반도체 접합 나노다이오드를 제작하고 빛에 의한 표면변화를 분석했다.

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KAIST와 공동연구로 플라즈모닉 핫홀 실시간 분석
재료분야 국제학술지 'Advanced Science'에 게재
[대전=뉴시스] 금속-반도체 접합 나노 다이오드로부터 실시간으로 촬영한 핫홀 모습. KBSI-KAIST 공동연구팀은 금 나노구조체 외곽의 광전류가 급격히 증가되고 핫홀이 발생하는 것을 처음으로 확인했다.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 소재분석연구부 이문상 박사팀과 KAIST 화학과 박정영 교수팀이 공동연구를 통해 빛이 금속 표면에 닿는 순간 만들어지는 정공(hole)인 '플라즈모닉 핫홀(Hot Hole)'의 생성에서 소멸까지 전 과정을 세계 최초로 실시간 관측하는데 성공했다고 26일 밝혔다.

공동 연구팀은 플라즈모닉 핫홀을 관찰키 위해 금속-반도체 접합 나노다이오드를 제작하고 빛에 의한 표면변화를 분석했다.

이번 분석에서 연구팀은 빛에 의해 금속 표면의 전자들이 집단으로 진동하는 '국소 표면 플라즈몬 공명' 현상에 의한 정공인 플라즈모닉 핫홀을 실시간 관찰했다.

핫홀의 수명은 수 펨토초 정도로 매우 짧아 검출 자체가 불가능에 가깝고 실시간으로 모습을 관찰하는 것도 대표적인 분석난제로 꼽히고 있다.

세계적으로도 극소수의 연구팀만이 간접적인 방법으로 핫홀의 발생양상을 유추하는 수준이다. 화학반응을 촉진하는 핫홀의 기능이 이미 알려져 있었지만 실제 소자 개발에 활용하지는 못했다.

연구팀은 핫홀의 양상을 관찰키 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.

공동 연구팀은 이번 연구로 핫홀의 실시간 분석에 성공한 뒤 광센서 분야에서의 활용 가능성을 제시했다. 향후 광센서를 비롯한 다양한 차세대 소자 개발에 새로운 지평을 열었다는 평가다.

특히 계산 시뮬레이션을 활용해 시료 표면의 빛 분포로부터 핫홀의 발생 양상을 유추하는 방법을 고안하고 이를 실제 실험으로 규명했다.

이번 연구성과는 세계적인 재료분야 국제학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF=15.840)에 지난 22일 내지삽화와 논문으로 게재됐다.(논문명:In-situ visualization of localized surface plasmon resonance-driven hot hole flux)

KAIST 박정영 교수는 "나노다이오드에서 생성되는 플라즈모닉 핫홀의 발생양상에 대한 정확한 규명은 금속표면에서 일어나는 에너지 전달·손실과정에 대한 이해를 도와 촉매전자학 분야와 에너지공학 분야에 큰 도움이 될 것"이라고 의미를 부여했다.

KBSI 이문상 박사는 "그동안 이론적 계산과 간접적 실험방법으로만 유추할 수밖에 없었던 핫홀의 거동을 실시간으로 관찰해 기초적인 메커니즘을 밝혀낸 것은 큰 의미"라면서 "연구성과가 차세대 인공광합성 소자, 초고효율 광촉매 개발, 에너지 저장 소자 개발, 초고감도 바이오 광센서 개발 등 다양한 분야에서 활용될 것"이라고 말했다.

☞공감언론 뉴시스 kys0505@newsis.com

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