빛이 전기로 활발하게 바뀌는 '핫스팟' 찾았다

기초과학연구원 "나노미터 수준에서 핫 전자 거동 관찰"

고효율 에너지 소자 응용 기대

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 부연구단장(KAIST 화학과 및 EEWS 대학원 교수) 연구팀이 세계 최초로 핫 전자 발생 거동을 ㎚(나노미터) 수준에서 관찰했다고 23일 밝혔다.

핫 전자는 외부 에너지가 촉매 같은 물질 표면에 전달될 때 1∼3전자볼트 에너지를 갖는 전자를 말한다.

잔잔한 호수에 돌을 던지면 잔물결이 일 듯, 금속 표면에 빛 에너지를 전달하면 금속 내부 자유전자가 표면에서 동시에 진동하는 표면 플라스몬 공명 현상이 나타난다.

이 과정에서 자유전자는 높은 운동 에너지를 가진 핫 전자가 된다.

바꿔 말해 핫 전자는 표면 플라스몬 공명 현상 때문에 더 증폭해 발생한다.

지금까지 핫 전자 거동을 파악하긴 어려웠다.

핫 전자가 수 펨토초(1천조분의 1초) 만에 사라져 버리기 때문이다.

IBS 연구팀은 자체 개발한 광전도 원자간력 현미경(Photoconductive atomic force microscopy)으로 이 문제를 해결했다.

이산화타이타늄 박막 위에 132㎚ 크기 삼각형 모양 금 나노 프리즘을 올린 형태의 쇼트 키 나노 다이오드를 만들었다.

이후 광전도 원자간력 현미경으로 빛(레이저)을 쪼여가며 나노 프리즘에서 발생하는 핫 전자를 실시간 검출했다.

연구팀은 나노 프리즘 표면 플라스몬 공명과 일치하는 파장의 빛을 쐈을 때 핫 전자가 가장 많이 검출된다는 사실을 알아냈다.

나노 프리즘의 경우 532㎚ 빛을 쪼였을 때보다 640㎚ 빛을 쪼였을 때 2.6배 많은 광전류가 확인됐다.

핫 전자는 나노 프리즘 내부보다 경계면에서 13배 더 활발히 발생한다는 사실도 규명했다.

나노 프리즘 경계가 핫 전자를 가장 많이 발생시키는 '핫스팟'이란 뜻이다.

박정영 부연구단장은 "핫 전자 연구는 금속 표면에서 일어나는 화학반응과 에너지 소멸 현상을 이해하기 위해 시작된 것"이라며 "차세대 에너지전환 소자뿐 아니라 고효율·고성능 광촉매 같은 촉매 전자학 분야 연구에도 진전이 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

연구는 국제 학술지 '나노 레터스'(Nano Letters) 4일 자 온라인판에 실렸다.

walden@yna.co.kr

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