한국기초과학지원연구원(KBSI)과 한국과학기술원(KAIST)이 빛이 금속 표면에 닿는 순간 만들어지는 정공(hole)인 플라즈모닉 핫홀 생성에서 소명까지 전체 과정을 세계 최초로 실시간 관측에 성공했다.
KBSI 소재분석연구부 이문상 박사, KAIST 화학과 박정영 교수 공동연구팀이 진행한 이번 연구는 나노미터(10억분의 1m)·펨토초(1천조분의 1초)의 초미세·초단시간 수준에서 일어나는 빛과 금속 표면의 반응을 실시간으로 관찰하고 전기적인 흐름을 분석하는데 성공함으로써 미세영역의 분석난제를 해결한 것에 그 의의가 있다.
이에 따라 차세대 고효율 에너지 소자 개발, 바이오센서 감도 향상 등 다양한 응용연구가 가속화 될 전망이다.
공동연구팀은 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 펨토초 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.
또 연구팀은 계산 시뮬레이션을 활용하여 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.
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 설명했다.
KBSI 이문상 박사는 “그동안 이론적 계산과 간접적 실험방법으로만 유추할 수 밖에 없었던 핫홀의 거동을 실시간으로 관찰하여 기초적인 메커니즘을 밝혀낸 것에 이번 연구의 큰 의의가 있다”며 “이번 연구성과가 차세대 인공광합성 소자, 초고효율 광촉매 개발, 에너지 저장 소자 개발, 초고감도 바이오 광센서 개발 등 다양한 분야의 연구개발에서 활용될 것으로 기대한다”고 했다.
KBSI 신형식 원장은 “우리 연구원의 비전인 ’세계적 수준의 분석과학 개방 연구원‘에 맞는 연구성과로서 그동안 분석난제로 여겨온 분석영역을 개척하고, 그 성과가 실제 산업현장으로 흘러 갈 수 있는 가능성을 제시한 것으로 큰 의미를 갖는다”고 말했다.
