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반도체-금속 하이브리드 성질 새로운 나노입자 개발

- 셀레늄화 은 반도체 양자점에서 양자 플라즈몬 공명 현상 규명 

- 정광섭 교수 연구팀, 양자 플라즈몬 공명연구의 새로운 돌파구 마련 

 

정광섭 고려대학교 화학과 교수, 송해민 고려대학교 화학과

양자 플라즈몬 공명연구의 새로운 돌파구가 될 나노입자가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 양자 플라즈몬 공명(quantum plasmon resonance)dms  엑시톤으로 대변되는 반도체 나노결정 물질의 광학적 성질과 표면 플라즈몬 공명으로 대변되는 금속 나노결정 물질의 광학적 성질이 공존하는 현상이다. 

고려대학교 화학과 정광섭 교수 연구팀이 반도체-금속 하이브리드 성질의 셀레늄화 은 반도체를 개발, 이 나노입자의 양자점에서 양자 플라즈몬 공명 현상을 규명했다고 밝혔다.

 반도체와 금속의 중간체(intermediate)적인 성질을 가지고 있는 물질은 반도체와 금속의 특징이 모두 관찰되기 때문에 물질의 변화에 대해 이해할 수 있는 매우 좋은 대상이 된다. 이러한 물질을 입증하기 위해선 반도체와 금속의 하이브리드 성질이 공존하는 양자 플라즈몬 공명 현상이 확인되어야 한다. 그러나 이러한 현상에 대한 연구는 주로 금속 입자를 매우 작은 크기로 줄여서 연구해왔는데, 표면 외에는 성질을 크게 변화시키기 어렵고 반도체의 큰 특징을 볼 수 있을 만큼 전자밀도를 줄일 수가 없었다.

이에 연구팀은 자가도핑(self-doping)* 방법을 이용, 전자 밀도를 보다 넓은 범위 내에서 조절 가능한 셀레늄화 은(silver selenide) 반도체 나노결정을 사용하여 양자 플라즈몬 공명 현상을 규명했다.

* 자가도핑(self-doping) : 양자화된 에너지를 가지고 있는 물질의 전도대에 있는 에너지 준위에 전자를 채움으로써 물질의 전자 밀도를 높이는 도핑 방법

 

성장 시간에 따른 셀레늄화 은 나노입자의 변화

입자 결정의 특정 면에 붙어 성장을 돕는 리간드를 활용해 셀레늄화 은 반도체 나노결정의 페르미 레벨을 높일 수 있었고, 이를 통해 전자 밀도를 증가시켜 반도체 물질이 금속 성질을 조금씩 가질 수 있도록 유도하였다. 이를 자외선 광전자 분광기와 중파장 적외선 형광 분광기를 활용하여 증명해냈으며, 자가도핑이 증가될수록 금속-반도체 중간 성질인 양자 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 것도 밝혀냈다.

이번 연구는 셀레늄화 은 반도체 나노입자에서 양자 플라즈몬 공명 현상을 구현함으로써 이를 연구할 수 있는 새로운 플랫폼 물질과 그 현상을 이해할 수 있는 모델을 제시했다는 데 의의가 있다.

정광섭 교수는 “기존에 보고된 반도체나 금속입자에서 발견되지 않았던 물질의 광학적, 물리적 성질을 관찰할 수 있어서 기쁘게 생각한다”며 “이번에 보고한 물질과 유사한 구조를 가지는 자가도핑된 시스템에서도 새로운 성질이 발견될 것으로 기대된다”고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리, 함께달리기, 미래기술연구실, 중견 사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 나노과학기술 분야 국제학술지 ‘ACS Nano’에 9월 12일 게재되었다. 논문명은 Ultranarrow Mid-infrared Quantum Plasmon Resonance of Self-Doped Silver Selenide Nanocrystal이다.

 

셀레늄화 은 나노입자의 (가) 적외선 흡수 스펙트럼과 (나) 에너지 레벨

 

□연구개요

1. 연구의 필요성

○ 반도체와 금속은 각각의 성질이 매우 뚜렷하다. 그 중간체적인 성질을 가지고 있는 물질은 각각의 특징이 모두 관찰되며 비율적으로 존재할 수 있기 때문에 물질의 변화에 대하여 이해할 수 있는 매우 좋은 대상이 된다. 이를 화학적인 방법으로 조절할 수 있다면 반도체와 금속의 각각의 특징을 선택적으로 관찰할 수 있기 때문에 물질의 구조 변화에 따른 광학적, 전기적, 자기적 성질변화에 대한 이해를 할 수 있게 해주며 필요에 따라 맞춤형 사용이 가능할 것으로 기대할 수 있다. 지난 수십 년간 관련 연구는 원자의 수가 벌크 물질에 비해 매우 적은 금속입자의 전자밀도를 낮추는 방향으로 연구를 해왔으나 표면 외에는 성질을 크게 변화시키기 어렵고 반도체의 큰 특징을 볼 수 있을 만큼 전자밀도를 줄일 수가 없었다. 그러나 지금까지 해보지 않은 방법으로 오히려 반도체 물질의 전자밀도를 증가시키면서 금속 성질을 띄게 할 수 있다면 이는 물질변화에 대한 매우 중요한 단서를 제공할 수 있게 된다.

2. 연구내용

○ 본 연구진은 자가도핑 (self-doping) 방법을 통해 전자 밀도를 보다 넓은 범위 내에서 조절 가능한 셀레늄화 은 (silver selenide) 반도체 나노결정을 사용하여 양자 플라즈몬 공명 현상 (quantum plasmon resonance)을 관찰할 수 있었다.

○ 입자 결정의 특정 면에 붙어 성장을 돕는 리간드를 사용하여 셀레늄화 은 반도체 나노결정의 페르미 레벨을 높일 수 있었고, 이를 통해 전자밀도를 증가시켜 금속성질인 국소표면플라즈몬공명(localized suraface plasmon resonance) 현상이 발생하도록 유도하였다. 일반적인 국소표면 플라즈몬공명 현상과 달리 자가도핑이 증가할수록 금속-반도체 중간 성질인 양자 플라즈몬 공명 현상이 일어남을 확인했다.

○ 반도체 나노결정에서 전자 밀도가 증가하면서 엑시톤 전이가 금속 특성의 국소 표면 플라즈몬 공명 현상과 융합되는 변화를 나타내는 모델과 금속 나노결정의 크기를 감소시킴에 따라 양자 구속 효과가 융합되는 모델을 발전시켜 새로운 모델을 제시하였고 이를 통해 셀레늄화 은 나노결정이 금속-반도체 중간체의 성질을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.

* 양자 플라즈몬 공명 현상 : 엑시톤으로 대변되는 반도체 나노결정 물질의 광학적 성질과 표면 플라즈몬 공명으로 대변되는 금속 나노결정 물질의 광학적 성질이 공존하는 현상

* 자가도핑 : 양자화된 에너지를 가지고 있는 물질의 전도대에 있는 에너지 준위에 전자를 채움으로써 물질의 전자 밀도를 높이는 도핑 방법

* 자외선 광전자 분광법 : 자외선 광자를 흡수한 화합물에서 방출된 광전자의 운동 에너지를 측정하여 분자 오비탈 에너지를 구하는 분광법

* 국소 표면 플라즈몬 공명 현상 : 금속 나노입자의 전자가 전자기장에 의해 여기되면서 집단적 진동을 일으키는 현상

3. 연구성과/기대효과

○ 화학적인 방법을 통해 물질의 조성을 변화시키며 물질의 반도체 광학성질인 엑시톤과 금속 성질인 국소표면플라즈몬 현상을 모두 제어하여 새로운 광학성질인 양자 플라즈몬 공명 현상을 적외선 영역에서 관찰할 수 있었다. 양자화된 에너지를 선택적으로 사용할 수 있기 때문에 기초과학적으로는 적외선 분광학, 라만 분광학 등을 이용하여 신물질 연구를 할 수 있을 것으로 기대하며 양자소재 및 적외선 감응 소재를 이용한 응용 등에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

한국연구재단 홍보실 제공 

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