장재원 부경대 교수 연구팀이 나노선 금속-반도체 경계면에 빛을 비췄을 때 전자가 양방향으로 이동하는 과정을 직접 관측했다고 합니다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업, 국제화기반조성사업의 지원으로 수행, 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 지난 11월에 게재됐습니다.
오랫동안 어려운 문제였던 나노구조 금속-반도체 경계면에서의 광촉매 및 광전기의 원리를 규명한 건데요. 참고로 광촉매란 빛을 받아들여 화학 반응을 촉진하는 물질을 말하며 광전기는 빛에 의해 생기는 전기현상의 총칭을 말합니다.
반도체 나노선은 일반적인 벌크 박막(bulk film) 형태 반도체보다 빛 흡수 능력이 우수합니다. 그 때문에 차세대 소자로 주목받고 있었지만 광촉매 및 광전기 성능이 부족해 상업적으로 이용되기 어려웠는데요.
금속의 크기가 나노 크기로 작아질 경우 나노입자는 빛을 흡수할 능력을 갖게 되고 이를 반도체 나노선에 접목하면 낮은 반도체의 광촉매&광전기 성능을 향상할 수 있습니다. 금속 나노입자가 특정 파장에서 빛을 흡수하는 '국소적 표면 플라즈몬 공명(LSPR·localized surface plasmon resonance)'이라고 부르는 현상을 이용하는 겁니다.
금속 나노입자에 의한 반도체 나노선의 광촉매, 광전기 성능 향상의 근본적인 원리를 규명하는 건 지난 20년간 학계 연구 과제였습니다. 전자들의 이동 방향에 대한 상충하는 이론들이 많았고 아직도 밝혀지지 않았었죠.
부경대학교 장재원 교수 연구팀은 은 나노입자를 폴리피놀 반도체 나노선에 흡착시켰습니다. 그리고 그 경계면에 빛을 비춰 전자가 양방향으로 이동하는 현상을 주사탐침현미경 기법으로 직접 관측했습니다.
전자가 은 나노 입자에서 폴리피롤 나노선 방향으로 이동한 것은 LSPR 현상으로 설명할 수 있습니다. 동시에 전자가 반대 방향으로 이동하는 건 은과 폴리피롤 일함수 차이로 인해 에너지 밴드가 아래쪽으로 휘기 때문이라고 설명했는데요. 일함수란 물질 내에 있는 전자 하나를 밖으로 끌어내는 데 필요한 최소의 일 또는 에너지를 말합니다.
장재원 교수는 "이 연구는 금속-반도체 나노선의 반도체 밴드구조에 의존한 LSPR 상태에서 전자의 이동 방향 메커니즘을 밝혔다."고 말했습니다. 또한 "이 원리를 바탕으로 반도체 나노선의 성능을 향상시키고 고효율 광촉매 개발이 가능할 것으로 기대된다"며 이 연구의 의의를 설명했습니다.