반도체 기반 초고속 나노 광소자 개발에 기여
광주과학기술원(GIST)는 이종석 물리·광과학과 교수팀이 반도체 표면에서 광여기된 전자들의 초고속 거동을 추적하고 이에 따른 표면 전기장 형성 과정을 규명했다고 6일 밝혔다.
이 교수팀은 시분해 비선형 분광 기법을 활용해 시료의 크기를 줄이지 않은 채 표면에서의 초고속 전자 움직임을 실시간으로 추적하는데 성공했다. 대표적인 극성 반도체인 갈륨비소(GaAs)와 인듐비소(InAs)에서 광여기 된 전자에 의해 초고속으로 형성되는 표면 전기장을 펨토초-시분해 제2차 고조파 생성 기술을 통해 실시간으로 관측했다.
연구팀은 표면 근처 수 나노미터 두께에서 형성되는 표면 전기장을 제2차 고조파 형성을 통해 측정했다. 특히 펨토초(1000조분의 1초) 레이저를 이용한 시분해 기술을 통해 이러한 광전하의 이동에 따른 전기장이 수백 펨토초에 걸쳐 형성되며 수십 피코초(1조분의 1초) 수준에 걸쳐 사라진다는 사실도 밝혀냈다.
이종석 교수는 “반도체 소자가 점차 얇아짐에 따라 나노 소자의 성능 향상을 위해서 반도체 표면에서 일어나는 물리 현상을 심도 있게 이해할 필요가 있다”며 “특히 빛의 조사에 따라 형성된 전하의 움직임은 태양전지, 광 촉매 기술 등의 개발에 있어 근본적인 단초를 제공할 것”이라고 말했다.
이어 “극성 반도체 표면에서 전자들이 가지는 초고속 동역학에 대한 이해는 태양전지에서의 에너지 생성, 전달, 저장 관련 성능 향상에 큰 도움이 되며 광촉매 관련 소자의 효율 향상 전략을 수립하는데 기여할 수 있다”면서 “기존 연구에서는 반도체 표면에서의 전자 움직임을 추적하기 위해서 반도체 시료의 크기를 나노미터 수준으로 줄여 표면 효과를 증대시키는 방법을 이용한다”면서 “하지만 이 경우에는 양자 구속 효과가 필연적으로 발생해 표면 본연의 특성을 이해하는데 걸림돌이 돼 왔다고 덧붙였다.
이 교수는 “반도체 표면에서 광 여기된 전하들의 초고속 움직임을 실시간으로 추적한 의미있는 결과”라며 “향후 태양전지나 광촉매 관련 소자를 개발하고 성능을 향상시키는 데 크게 기여를 할 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 사업, 선도연구센터 사업 등의 지원을 받아 재료과학, 코팅 분야의 세계적인 학술지인 '어플라이드 서피스 사이언스' 온라인에 최근 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
