금 나노프리즘 계면에서의 핫전자 움직임 실시간 관찰. IBS 제공

기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 부연구단장(KAIST 화학과 및 EEWS 대학원 교수) 연구팀은 핫전자의 발생 거동을 나노미터(㎚·10억 분의 1m) 수준에서 관찰하고 광전변환효율이 가장 좋은 ‘핫스팟’을 찾아냈다.

빛에너지를 전기에너지로 변환하는 차세대 고효율 에너지전환장치 상용화를 견인할 것으로 기대된다. 이번 연구 성과는 세계적인 학술지 ‘나노레터스’에 지난 4일 자 온라인 판에 게재됐다.

연구팀은 이산화티타늄 박막 위에 크기 132㎚의 삼각형 모양 금 나노프리즘을 올린 형태의 쇼트키 나노다이오드를 제작했다. 이후 광전도 원자간력 현미경으로 빛(레이저)을 쪼여가며 나노프리즘에서 발생하는 핫전자를 실시간 검출했다.

레이저의 파장을 변화시켜가며 조사한 결과, 나노프리즘 표면의 플라즈몬 공명과 일치하는 파장의 빛을 조사했을 때 핫전자가 가장 많이 검출됨을 확인했다.

가령, 이번 연구에 사용된 나노프리즘의 경우 640㎚의 빛을 쪼였을 때, 532㎚의 빛을 쪼였을 때에 비해 2.6배 많은 광전류가 검출됐다. 또 나노프리즘의 경계면이 내부에 비해 핫전자가 13배 더 활발히 발생한다는 사실도 밝혔다. 나노프리즘의 경계가 핫전자를 가장 많이 발생시키는 핫스팟이라는 의미다.

연구팀은 나노프리즘의 종류와 형태를 바꿔가며 가장 높은 광전변환효율을 얻을 수 있는 최적의 설계를 찾아나갈 계획이다.

박 부연구단장은 “핫전자 연구는 금속표면에서 일어나는 화학반응과 에너지 소멸현상을 이해하기 위해 시작된 것으로 앞으로 에너지환경 분야를 폭발적으로 발전시킬 것”이라며 “차세대 에너지전환소자 뿐만 아니라 고효율·고성능 광촉매 개발 등 촉매전자학 분야 연구에도 큰 진전이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com

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