나노기술 및 정책 정보

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● 울산과학기술원(UNIST) 화학과의 권오훈 교수 연구팀이 나노 다이아몬드와 같은 와이드 밴드갭 물질의 발광 특성과 물질 내 전하 입자 이동을 분석하는 기술을 개발

● 와이드 밴드 갭 물질인 나노 다이아몬드는 차세대 반도체 소재, 양자 광원 소재 등으로 주목받고 있지만, 에너지 밴드 갭이 넓어 일반 분광 분석법으로 발광 특성 분석이 쉽지 않았던 상황

● 이에 연구팀은 고해상도 투과전자현미경에 음극선 발광 검출기를 결합하는 새로운 분석법을 사용하여 나노 다이아몬드의 발광 특성을 분석

● 먼저, 투과전자현미경의 고에너지 전자빔을 활용하여 나노 다이아몬드 내 전자를 들뜬 상태로 만들어 발광 특성 분석을 진행하였으며 그 후, 전자가 바닥 상태로 떨어지면서 빛이 나오고, 이 정보가 음극선 발광 검출기로 전달됨

● 나노 다이아몬드 내부에는 정보통신의 광원으로 사용할 수 있는 미세 구조(다이아몬드 질소-공공)가 여러 개 존재하는데, 해당 연구로 이 미세 구조 사이에서 일어나는 전자의 이동과 그 소요 시간을 밝혀냄.

● 기존에는 나노 다이아몬드 여러 개가 모인 상태에서만 발광 현상 검출이 가능하였지만, 연구팀이 보유한 4차원 초고속 투과전자현미경 기술로 인해 빔을 쏘는 영역을 아주 좁게 만들어 나노 다이아몬드 입자 하나의 구석구석까지 발광 현상을 분리해 측정

● 해당 연구로 개발한 분석법은 와이드-밴드갭 물질 뿐만 아니라 초미세 발광 소재인 양자점, 반데르발스 이종접합 소재의 특성 분석과 이를 기반으로 한 새로운 나노 광소자 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대

※ 용어설명

- 나노 다이아몬드: 수 밀리미터(mm) 크기의 일반 다이아몬드에 비해 1만 배 정도 작은 나노미터(nm) 크기의 다이아몬드

- 다이아몬드 질소-공공(Diamond Nitrogen-Vacancy Center): 다이아몬드 격자 내 불순물인 질소 원자와 인접 탄소 원자의 이탈에 의해 생성되어 가시광선 영역에서 빛을 내는 원자 집단

- 투과전자현미경(transmission electron microscopy): 높은 에너지를 갖도록 자유 전자를 가속하여 원자 수준에서 물질의 구조, 화학적 조성 및 결정 구조 등을 분석할 수 있는 장비

※ ACS Nano 게재(2021.12.13.), “Cathodoluminescence in Ultrafast Electron Microscopy”

※ 삼성미래기술육성재단 지원