플라즈모닉 핫홀 생성에서 소멸까지 실시간 관측 성공

한국기초과학지원연구원(원장 신형식) 소재분석연구부 이문상 박사 연구팀과 KAIST 화학과 박정영 교수 연구팀은 빛이 금속 표면에 닿는 순간 만들어지는 정공인 플라즈모닉 핫홀의 생성에서 소멸까지의 전체 과정을 세계 최초로 실시간 관측에 성공했다.

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.

연구팀은 플라즈모닉 핫홀을 관찰하기 위해, 금속-반도체 접합 나노다이오드를 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.

이러한 분석 상의 난제로 인해 화학반응을 촉진한다는 핫홀의 기능이 이미 알려져 있었음에도 실제 소자 개발에 활용하지는 못했다.

공동연구팀은 이번 연구로 핫홀의 실시간 분석에 성공했다는 것 뿐 아니라 광센서 분야에서의 활용 가능성도 제시하고 있어, 향후 광센서를 비롯한 다양한 차세대 소자 개발에 새로운 지평을 열었다고 볼 수 있다.

또한, 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.

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

이번 연구성과는 세계적인 재료분야 국제학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF=15.840, JCR=5%이내; 논문명 : In-situ visualization of localized surface plasmon resonance-driven hot hole flux)를 통해 10월 22일 내지삽화와 논문이 게재됐다.

제1저자는 KAIST 화학과 이현화 박사과정 학생이며, KBSI 이문상 박사와 KAIST 화학과 박정영 교수가 공동 교신저자이다.

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 밝혔다.

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 밝혔다.