금속-반도체 나노선의 전자이동 방향 관측

한국연구재단(이사장 조무제)은 부경대학교 장재원 교수 연구팀이 나노선의 금속-반도체 경계면에 빛을 쬐었을 때 발생하는 전자가 양방향으로 이동하는 과정을 직접 관측해내어, 오랫동안 난제였던 나노구조 금속-반도체 경계면에서의 광촉매 및 광전기의 원리를 규명했다고 밝혔다.

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 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 왔다. 그러나 전자들의 이동 방향에 대한 상충되는 이론이 존재하는 등 아직까지도 명확히 밝혀지지 못했다.

연구팀은 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 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”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구), 국제화기반조성사업의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters) 11월 15일에 게재되었다.