셀레늄화 은 반도체 양자점에서 양자 플라즈몬 공명 현상 규명

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

한국연구재단(이사장 이광복)은 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 : 양자화된 에너지를 가지고 있는 물질의 전도대에 있는 에너지 준위에 전자를 채움으로써 물질의 전자 밀도를 높이는 도핑 방법) 방법을 이용, 전자 밀도를 보다 넓은 범위 내에서 조절 가능한 셀레늄화 은(silver selenide) 반도체 나노결정을 사용하여 양자 플라즈몬 공명 현상을 규명했다.

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.