이승훈 장재원(우) 교수
[대전=일요신문]육심무 기자 = 반도체 나노선에 금속 나노입자를 활용해, 광촉매 및 광전기 성능을 향상 시키려는 노력은 지난 20년 동안 꾸준히 진행되어왔지만 금속 나노입자에 의해 반도체의 광전기적 성질이 어떻게 영향을 받고, 어떠한 이유로 반도체 나노선의 광촉매 및 광전기 성질이 향상 하는지에 대한 해답은 여전히 내리기 어려웠다.
반도체와 금속에서 전하를 발생 시켰을 경우, 전자 및 에너지가 어디서 어디로 이동하는지 직접 관측해 금속과 반도체 나노재료의 광전기 물성 향상을 도모할 수 있는 원리를 부경대 장재원 교수 연구진이 규명했다.
즉 나노선의 금속-반도체 경계면에 빛을 쬐었을 때 발생하는 전자가 양방향으로 이동하는 과정을 직접 관측해내어 오랫동안 난제였던 나노구조 금속-반도체 경계면에서의 광촉매 및 광전기의 원리를 밝혀냈다.
반도체 나노선은 벌크 박막(bulk film) 형태의 반도체보다 빛 흡수능력이 우수하지만, 광촉매 및 광전기 성능이 부족하여 상업적으로 이용되기 어렵다. 이에 금속 나노입자가 특정 파장에서 빛을 흡수하는 LSPR(localized surface plasmon resonance : 국소적 표면 플라즈몬 공명 현상) 효과를 이용하여 금속 나노입자를 반도체 나노선 표면에 접합시킴으로서 광촉매 및 광전기 성능을 향상시킬 수 있다.
금속 나노입자에 의한 반도체 나노선의 광촉매·광전기 성능 향상의 근본적인 원리를 규명하기 위해 지난 20년간 꾸준히 연구되어 왔으나 전자들의 이동 방향에 대한 상충되는 이론이 존재하는 등 아직까지도 명확히 밝혀지지 못했다.
연구진은 은 나노입자를 폴리피롤 반도체 나노선에 흡착시키고 그 경계면에 빛을 쬐었을 때 전자가 양방향으로 이동하는 것을, 주사탐침현미경 기법으로 직접 관측해냈다.
전자가 은 나노입자에서 폴리피롤 나노선 방향으로 이동한 것은 LSPR 현상으로 설명된다. 동시에 전자가 폴리피롤 나노선에서 은 나노입자 방향으로 이동한 것은 은과 폴리피롤의 일함수 ( 물질 내에 있는 전자 하나를 밖으로 끌어내는 데 필요한 최소의 일 또는 에너지)차이로 인해 에너지밴드가 아래쪽으로 휘기(downward band bending) 때문이라고 연구팀은 설명했다.
장재원 교수는 “이 연구는 금속-반도체 나노선의 반도체 밴드구조에 의존한 LSPR 상태에서 전자의 이동 방향 메커니즘을 밝힌 것”이라며 “이 원리를 바탕으로 반도체 나노선의 성능을 향상시키고 고효율 광촉매 개발이 가능할 것으로 기대된다”고 설명했다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구), 국제화기반조성사업의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters) 11월 15일에 게재되었다.
(논문명 : Direct Observation of Plasmon-Induced Interfacial Charge Separation in Metal/Semiconductor Hybrid Nanostructures by measuring Surface Potentials) ilyo33@ilyo.co.kr
