인하대 이문상 교수팀, 플라즈모닉 핫홀 거동 ‘세계 최초’ 규명
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인하대 이문상 교수팀, 플라즈모닉 핫홀 거동 ‘세계 최초’ 규명
  • 대학지성 In & Out 기자
  • 승인 2021.03.26 14:10
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- 이론적 논의를 실험적으로 확인해
- 차세대 반도체소자·기능성센서 상용화
 (왼쪽부터)이문상 인하대 신소재공학과 교수,  송경재 KAIST 화학과 박사과정,  박정영 KAIST 화학과 교수

인하대학교(총장 조명우) 이문상 신소재공학과 교수팀이 박정영 한국과학기술원(KAIST) 화학과 교수팀과 세계 최초로 금속나노구조체의 크기에 따른 핫홀(hot hole)의 거동을 실험적으로 확인했다.

연구진은 국소표면플라즈몬 공명현상으로 발생하는 핫홀을 이용해 물분해반응을 일으키고, 이 반응에 따라 생성되는 수소와 산소의 양을 측정해 금속의 크기에 따라 변하는 핫홀의 거동변화를 밝혔다.

또한, 플라즈모닉 핫홀이 발생되는 빛의 공명파장이 금속나노구조체의 크기에 따라 변화하는 것을 광전기화학적 반응분석으로 확인했으며, 금속나노구조체의 크기와 공명파장 변화로부터 핫홀의 발생 양상을 계산 시뮬레이션을 통해 유추해 실제 실험으로 규명했다.

이 연구는 수명이 수 펨토초로 매우 짧아 검출이 불가능에 가까운 핫홀의 특성 때문에 기초연구에 대한 실험적 증명이 미비한 상황에서 핫홀의 응용가능성을 넓혔다는 평가를 받고 있다. 차세대 반도체 소자개발, 에너지소자, 광센서 등 다양한 응용연구를 가속화하고 차세대 반도체소자, 고효율 인공광합성장치 및 기능성센서 상용화를 앞당길 것으로 전망된다. 이 연구결과는 재료공학·전기화학 분야의 세계적인 학술지인 ACS Energy Letters 온라인판에 지난 18일 게재됐다. 제1저자는 KAIST 화학과 송경재 박사과정생이며, 이문상 인하대 교수와 박정영 KAIST 교수가 공동 교신저자이다.

이문상 인하대 교수는 “이번 연구성과는 이론적으로 논의가 되기만 했던 핫홀의 거동에 대한 연구를 실험적으로 확인해 핫홀의 발생거동과 에너지 전달 메커니즘을 규명했을 뿐 아니라 응용가능성을 밝혔다는 데 큰 의의가 있다”며 “차세대 반도체 소자와 인공광합성소자, 에너지저장소자 등 다양한 연구분야에 사용될 수 있는 연구결과”라고 말했다. 

박정영 KAIST 교수는 “플라즈모닉 핫홀이 광촉매 활성도에 직접적으로 영향을 준다는 부분을 처음 입증한 결과이고 촉매전자학 분야의 큰 진전”이라고 밝혔다.

<용어 설명>

1. 표면플라즈몬 공명(Surface plasmon resonance)
금속 내 자유전자가 금속 표면에서 집단적으로 진동하며 유사입자처럼 행동하는 현상. 특히 나노미터 크기 금속 구조에서 발생한 경우엔 국소 표면 플라즈몬 공명 현상(localized surface plasmon resonance)이라고 말한다.

2. 핫홀(Hot hole) 
금속 표면에서 이루어지는 광/화학 반응에 의해 수 펨토초 동안 1-3 eV 에너지를 가지는 정공(hole)을 일컫는다. 핫전자(Hot electron)보다 수명이 더 짧다고 알려져 있다. 

3. 물분해반응
물을 산소와 수소로 분해하는 반응으로, 이 실험의 경우, 금 나노구조체에서 국소 표면 플라즈몬 공명 현상에 의해 생성된 핫전자와 물의 반응을 통해 수소를 생성하고, 백금 상대 전극에서도 마찬가지로 공명 현상에 의해 발생한 핫홀과 물의 반응을 통해 산소를 생성해 전체 물 분해 반응을 이끌어낸다.
  
        

그림1: 물분해 반응을 이용한 금속나노구조체 크기에 따른 핫홀 발생의 변화 관찰방법. 금속나노구조체로 광입사광에 의해 여기된 핫홀들이 전기회로를 통해 이동해 물분해 반응을 일으키는 것을 보여준다. 
그림2: 금속나노구조체의 크기에 따른 핫홀 발생 변화에 대한 개략도. 빛조사에 의해 금속나노구조체 표면에서 생성된 핫홀은 금속의 크기가 작을수록 강하게 생성되는 전기장으로 인해 핫홀의 생성량과 전이효율(transfer efficiency)이 크게 증가하는 것을 보여준다. 

 


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