박정영(왼쪽) IBS 부연구단장과 이현화 KAIST EEWS대학원 박사과정생. /사진=IBS국내 연구진이 세계 최초로 핫 전자 발생 거동을 나노미터(㎚·10억분의 1m) 수준에서 관찰했다고 23일 밝혔다. 핫 전자는 외부 에너지가 촉매 같은 물질 표면에 전달될 때 1∼3전자볼트 에너지를 갖는 전자다.
개발팀인 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단의 박정영 부연구단장 연구팀은 “차세대 에너지 전환 소자뿐 아니라 고효율·고성능 광촉매 같은 촉매전자학 분야 연구에도 진전이 있을 것”이라고 기대했다. 박 부연구단장은 KAIST 화학과 및 EEWS 대학원 교수이다.
연구팀은 나노 프리즘 표면의 플라스몬 공명과 일치하는 파장의 빛을 쐈을 때 핫 전자가 가장 많이 검출된다는 사실을 알아냈다. 나노 프리즘의 경우 532㎚의 빛보다 640㎚의 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 ‘핫스폿’이라는 뜻이다.
하지만 지금까지 핫 전자의 거동을 파악하기는 어려웠다. 핫 전자가 수 펨토초(1,000조분의 1초) 만에 사라져버리기 때문이다.금속 표면에 빛 에너지를 전달하면 금속 내부 자유전자가 표면에서 동시에 진동하는 표면 플라스몬 공명현상이 나타나며 높은 운동에너지를 가진 핫 전자로 바뀌나 파악은 힘들었던 것이다.
연구팀은 자체 개발한 광전도 원자간력 현미경으로 이 문제를 해결했다. 이산화타이타늄 박막 위에 132㎚ 크기의 삼각형 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.
박정영 교수는 “핫 전자 연구는 금속 표면에서 일어나는 화학반응과 에너지 소멸 현상을 이해하기 위해 시작했다”며 “차세대 에너지 전환 소자나 고효율·고성능 광촉매 연구에도 진전이 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구는 국제학술지 ‘나노 레터스’ 4일자 온라인판에 실렸다. /고광본선임기자 kbgo@sedaily.com
금나노 프리즘 현미경 이미지. /사진제공=IBS
