빛이 만드는 금속표면의 정공 '플라즈모닉 핫홀'...세계 최초 실시간 관측 성공

국내 연구팀이 빛이 금속 표면에 닿는 순간 만들어지는 정공(hole)인 플라스모닉 핫홀의 생성에서 소멸까지의 전 체과정을 세계 최초로 실시간 관찰했다. 

한국기초과학지원연구원(KBSI) 소재분석연구부 이문상 박사 연구팀과 한국과학기술원(KAIST) 화학과 박정영 교수 연구팀이 공동으로 연구해 이와같은 실시간 관측에 성공했다고 26일 밝혔다. 

나노미터(10억분의 1m)·팹토초(1천조분의 1초)의 초미세 초단시간 수준에서 일어나는 빛과 금속 표면의 반응을 실시간으로 관찰하고 전기적인 흐름을 분석하는데 성공함으로써 미세영역의 분석난제를 해결한 것에 그 의의가 있다. 

차세대 고효율 에너지 소자 개발과 바이오센서 감도 향상 등 다양한 응용연구의 가속화가 기대되고 있다. 

공동연구팀은 핫홀을 관찰하기 위해 금속-반도체 접합 나노다이오드를 제작하고 빛에 의한 표면변화를 분석했으며, 그 결과 연구팀은 빛에 의해 금속 표면의 전자들이 집단으로 진동하는 국소 표면 플라즈몬 공명 현상에 의한 정공인 플라즈모닉 핫홀을 실시간 관찰했다는 것이다.

표면 플라즈몬 공명이란 금속에 있는 자유전자가 금속 표면에 가해진 일정한 파장의 빛을 받아 집단적으로 진동하며 마치 입자와 같은 양상을 보이는 현상이다. 

일반적으로 핫홀의 수명은 펨토초 정도로 매우 짧아 검출 자체가 불가능에 가까웠다. 실시간으로 그 모습을 관찰하는 것은 대표적인 분석난제였다.

세계적으로도 극소수의 연구팀만이 간접적인 방법으로 핫홀의 발생양상을 유추하는 정도의 연구방법만이 알려져 있어 분석 상의 난제로 인해 화학반응을 촉진한다는 핫홀의 기능이 이미 알려져 있었음에도 실제 소자 개발에 활용하지는 못했다고 한다. 

연구팀은 핫홀의 실시간 분석 뿐만아니라 광센서 분야에서의 활용 가능성도 제시하고 있다고 밝혔다. 

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

연구팀은 핫홀의 양상을 관찰하기 위해 금(Au)과 p형 질화갈륨으로 제작한 Au/p-GaN으로 만든 나노다이오드를 제작하고, 광전도 원자간력 현미경으로 이를 분석했다.

이 현미경은 나노미터 크기의 탐침을 이용해 시료 표면을 훑어가며 각 부분의 전기적 신호를 검출해 이미지화해주는 첨단 분석연구장비이다.

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 말했다.

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 기대했다.

이번 연구는 세계적 재료분야 국제학술지 어드밴스드 사이언스지에 논문명 'In-situ visualization of localized surface plasmon resonance-driven hot hole flux'로 10월 22일 내지삽화와 논문이 함께 게재됐다. 

포인트경제 김민철 기자