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IBS, 미래 광에너지 전환 메카니즘 제시

[대전세종충남=아시아뉴스통신] 이기종기자 송고시간 2019-01-23 17:03

세계 최초로 핫전자의 발생 거동을 나노미터 수준에서 관찰하고 광전변환효율이 가장 좋은‘핫스팟’을 찾아낸 박정영 부연구단장팀 등 연구는 세계적인 학술지 나노 레터스(Nano Letters, IF 12.080)에 1월 4일 게재됐다.(자료제공=카이스트 박정영 교수 연구팀)

기초과학연구원(IBS)은 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 부연구단장(KAIST 화학과 및 EEWS 대학원 교수) 연구팀이 세계 최초로 핫전자의 발생 거동을 나노미터 수준에서 관찰하고 광전변환효율이 가장 좋은 ‘핫스팟’을 찾아냈다고 23일 밝혔다. 

금속 표면에 빛에너지가 전달되면 금속 내부 자유전자가 표면에서 동시에 진동하는 표면 플라즈몬 공명 현상이 나타난다.

이 과정에서 자유전자는 높은 운동에너지를 가진 전자인 핫전자(hot electron, 에너지 전환과정에서 1-3ev 에너지 갖는 여기된(excited) 전자)가 되고, 금속 표면에는 핫전자로 인해 미량의 광(光)전류가 흐른다.

‘금속-반도체 접합 나노 다이오드(쇼트키 나노다이오드)’는 이런 특성을 활용해 외부의 빛 및 화학에너지를 전기적 신호로 전환하는 장치다.

하지만 지금까지는 여러 개의 나노다이오드에서 발생하는 핫전자의 거동을 평균적으로 파악할 뿐, 개별 쇼트키 나노다이오드에서 발생하는 핫전자의 거동을 파악하긴 어려웠다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 자체 개발한 광전도 원자간력 현미경을 기반으로 먼저 연구팀은 이산화티타늄(TiO2) 박막 위에 크기 132nm의 삼각형 모양 금(Au) 나노프리즘을 올린 형태의 쇼트키 나노다이오드를 제작해 이후 광전도 원자간력 현미경으로 빛(레이저)을 쪼여가며 나노프리즘에서 발생하는 핫전자를 실시간 검출했다.

특히 레이저의 파장을 변화시켜가며 조사한 결과, 나노프리즘 표면의 플라즈몬 공명과 일치하는 파장의 빛을 조사했을 때 핫전자가 가장 많이 검출됨을 확인했고, 나노프리즘의 경계면이 내부에 비해 핫전자가 13배 더 활발히 발생한다는 사실도 확인했다. 

박정영 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 기대하고 있다”고 말했다.

이 연구는 세계적인 학술지 나노 레터스(Nano Letters, IF 12.080)에 1월 4일 게재됐다.



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