IBS 박정영 부연구단장 연구팀, 핫전자 발생 거동 나노미터 수준에서 관찰
자체 개발 광전도 원자간력 현미경으로 핫전자 검출

금 나노프리즘에서의 실시간 핫전자 거동 이미지 <사진 = IBS 제공>
금 나노프리즘에서의 실시간 핫전자 거동 이미지 <사진 = IBS 제공>
국내 연구진이 빛에서 전기에너지로 가장 많이 변환되는 '핫스팟'을 발견했다. 이에 따라 차세대 고효율 에너지전환장치 상용화를 견인할 것으로 기대된다.

IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 박정영 나노물질·화학반응연구단 부연구단장(KAIST 화학과·EEWS 대학원 교수) 연구팀이 핫전자 발생 거동을 나노미터 수준에서 관찰, 광전변환효율이 가장 좋은 '핫스팟'을 찾아냈다고 22일 밝혔다.  

금속 표면에 빛에너지가 전달되면 표면 플라즈몬 공명 현상이 나타난다. 플라즈몬 공명 현상이란 금속 내부 자유전자가 표면에서 집단적으로 진동하는 현상을 말한다. 이 과정에서 자유전자는 높은 운동에너지를 가진 전자인 핫전자(hot electron)가 된다. 핫전자는 외부 에너지가 물질표면에 전달될 때, 에너지 전환과정에 의해서 1-3eV 에너지를 갖는 전자다.

금속 표면에 핫전자가 생기게 되면 미량의 광(光)전류가 흐른다. 얇은 금속 박막과 반도체로 이뤄진 금속-반도체 접합 나노다이오드(쇼트키 나노다이오드)는 이런 특성을 활용해 외부 빛과 화학에너지를 전기적 신호로 전환하는 장치다.

핫전자는 수 펨토초(1000조 분의 1초)만에 사라져 버린다. 따라서, 그동안 여러 개의 나노다이오드에서 발생하는 핫전자 거동을 평균적으로 파악할 뿐, 개별적인 거동이나 특성을 파악하기는 쉽지 않았다. 나노규모에서 일어나는 변화를 파악할 수 있는 장비도 또한 없는 상황이다.

연구팀은 시료의 전기적 특성을 나노미터 규모에서 검출할 수 있는 자체 개발한 광전도 원자간력 현미경으로 문제를 해결했다. 먼저 연구팀은 이산화티타늄(TiO₂) 박막 위에 132nm 크기 삼각형 모양 금(Au) 나노프리즘을 올린 형태의 쇼트키 나노다이오드를 제작했다. 이후 광전도 원자간력 현미경으로 파장을 변화시켜가며 빛을 쫴 나노프리즘에서 발생하는 핫전자를 실시간 검출했다.

그 결과, 나노프리즘 표면 플라즈몬 공명과 일치하는 파장의 빛을 쬈을 때 핫전자가 가장 많이 검출됨을 확인했다. 이번 연구에 사용된 나노프리즘의 경우 640nm의 빛을 쬈을 때, 532nm 빛에 비해 2.6배 많은 광전류가 검출됐다. 또, 나노프리즘 경계면이 내부에 비해 핫전자가 13배 더 활발히 발생한다는 사실도 밝혔다. 나노프리즘의 경계가 핫전자를 가장 많이 발생시키는 '핫스팟'이라는 의미다.

연구팀은 핫전자 기반 나노다이오드를 통해 표면 플라즈몬과 광전류 사이 상관관계를 직접적으로 규명했다. 이번 연구로 그동안 밝혀지지 않았던 핫전자 발생의 근본적인 메커니즘을 규명한 것.

연구팀은 향후 에너지 산업에의 응용가치를 기대하고 있다. 나노프리즘 종류와 형태를 바꿔가며 가장 높은 광전변환효율을 얻을 수 있는 최적의 설계를 찾아나갈 계획이다.

박정영 부연구단장은 "핫전자 연구는 금속표면에서 일어나는 화학반응과 에너지 소멸현상을 이해하기 위해 시작된 것으로 앞으로 에너지환경 분야를 폭발적으로 발전시키겠다"면서 "차세대 에너지전환소자 뿐만 아니라 고효율․고성능 광촉매 개발 등 촉매전자학 분야 연구에도 큰 진전이 될 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구성과는 학술지 '나노레터스(Nano Letters)' 이달 4일자 온라인 판에 게재됐다.

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