나노기술 및 정책 정보

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● 일본 토호쿠대학교의 Jacek R. Osiecki(전 박사과정) 연구팀이 산업적으로 관심이 높은 Si(111)면 7×7 구조의 코너 홀 내에 단일 Ag 원자가 장시간(4일 7시간)에 걸쳐 갇힌 채로 있었음을 밝혀냄.

● 또한, 표면을 약 150°C로 가열하면 수 분 이내에 Ag 원자가 코너 홀로부터 추출되어 가두기 및 확산 과정이 온도에 영향을 받는다는 것을 규명

● 연구진은 Ag 원자에 주목하여 7×7 구조 위에 Ag 원자를 증착시키고 열 확산 과정을 통해 코너 홀로의 흡착·탈리 과정을 주사터널현미경(STM)으로 원자 하나하나를 추적하면서 관찰하였으며, 제1원리 계산을 통해 흡착 에너지를 계산하는 한편 시뮬레이션한 결과, 7×7 구조의 단위격자는 적층 결함이 있는 것(FHUC)과 적층 결함이 없는 것(UHUC)의 두 개의 부격자(HUC)로 구성됨을 확인

● Ag 선을 전자빔으로 가열하여 증착시켰으며, 10~20개의 HUC에 Ag 원자 1개가 존재하는 상태에서 관찰

● 실온 관찰 중, 시작부터 코너 홀 STM 상에 청정 표면에 비해 밝은 상 몇 가지가 관측됨

● 온도를 높여가며 관찰한 결과, 150℃ 근방에서 청정 표면과 동등한 밝기의 상으로 돌아오는 것과 더 밝아지는 상으로 변화하기 시작하였으며, 코너 홀에서부터 부근에 있는 HUC로 Ag 원자 1개가 흡착·탈리 과정을 반복하고 있음을 확인

● 실온에서 장시간 관찰한 바, 4일 이상 Ag 단원자가 코너 홀에 갇힌 상태임을 발견

● Ag 단원자의 코너 홀로의 흡착상태를 밝히기 위해 Si(111)-7×7 구조에서 Ag 단원자의 흡착 에너지를 계산한 결과, 코너 홀에 있는 Si 원자 바로 위에서 Si-Ag 결합이 형성되며 이것이 가장 안정한 상태임을 발견

● 시뮬레이션을 실시한 결과, STM을 통해 관찰된 밝은 상과 일치하는 결과를 얻음으로써 코너 홀에 Ag 원자 1개가 흡착되어 있는 상태라는 것을 확인

● 본 연구 성과는 Ag 원자가 고온에서 코너 홀로부터 확산된다는 사실을 제안하는 것으로, Ag 원자를 가두는 능력은 안정된 흡착 사이트에서 원자가 제어된 배치 및 반도체 표면에서의 안정된 단일 원자 디바이스를 구축하는 데 매우 중요

● 실온에서 원자를 조작하는 기능은 향후 단일 원자 디바이스를 구축하는 한편, 새로운 엔지니어링 및 나노 재료를 제조하는 방법을 개발하는 데 도움이 될 것으로 기대

※ Nature Communications 게재(2022.05.27.), “Periodic corner holes on the Si(111)-7×7 surface can trap silver atoms”