나노기술 및 정책 정보

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중국 베이징(北京) 대학교 물리대학 산하 "메조스코픽 물리(Mesoscopic physics) 국가 중점 실험실" 소속 "나노 광전자 선행 과학 센터"의 꿍치황(龔旗煌) 원사(院士) 연구팀은 "펨토 초-나노 초고(超高) 시간과 공간 식별 광학 실험 시스템"을 구축하는데 성공함. 동 실험 시스템은 동시에 몇 개 펨토 초의 초고(超高) 시간 식별과 4나노에 달하는 초고(超高) 공간 식별을 실현할 수 있기 때문에 메조스코픽(Mesoscopic) 광학과 마이크로 나노 광자학 연구를 실행하는데 필요한 핵심적인 측정 수단을 제공할 수 있게 됨.

표면 플라즈몬 광자학 실험 과정에서 연구팀은 PEEM의 높은 공간 식별 능력을 이용하여 금 나노 구조의 이합체 배열 속에서 국지 표면 플라즈몬 모델의 근 거리 필드 분포를 직접 관측해 냈으며, 여기 광 파장이 의존하고 있는 광 조사 강도 측정과 초단(超短) 펄스의 입사 광 조사 관련 측정을 통해 동일한 구조의 표면 플라즈몬 근 거리 필드 증강과 결어긋남(decoherence) 시간을 각각 취득하였음. 표면 플라즈몬 근 거리 필드 증강과 결어긋남 시간 간의 관련은 금 나노 구조 이합체 갭과 여기 광의 편광 방향에 의존한다는 점을 발견하였으며, 이런 관련성은 근 거리 필드 커플링과 나노 구조의 국지 역할이 함께 결정한다는 점을 최초로 제시한 것임.

연구팀은 단일 층 WS2 초고속 전자 냉각과 이완 동력학 과정에 대한 연구를 통해 기판 상 및 공중에 떠 있는 단일 층 WS2는 모두 2개의 시간 사이즈 초고속 동력학 과정을 보유하고 있으며 각각 가이드 벨트의 전자 냉각과 결함 캡처 과정에 속하기 때문에 감쇠 곡선을 통해 2개의 시간 사이즈 과정을 관찰해 낼 수 있고 각각 0.3ps와 3ps 정도에 달한다는 결론을 도출하였음. 에너지 식별을 위한 PEEM 측정을 통해 첫 번째 과정은 전자가 가이드 벨트의 냉각과 대응되며, 두 번째 과정은 전자가 가이드 벨트의 이완을 반영한다는 점을 발견하였음.

연구팀은 공중에 떠 있는 단일 층 WS2 비교 샘플에 대해 PEEM 측정을 실행하고, 형광 광 스펙트럼과 라만 광 스펙트럼을 이용한 표면 특징 분석을 통해 이완 과정은 주로 결함 상태와 관련된다는 점을 발견함. 연구팀은 PEEM이 가진 공간, 시간과 에너지 등 다양한 차원의 식별 능력에 기반 하여 전형적인 TMDs 소재 단일 층 WS2 초고속 전자 냉각과 결합 캡처 동력학 과정을 해석하는데 성공하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 결함 상태의 생성은 진공 하에서의 광 조사와 관련이 되어 있으며 이런 결함의 생성 방식은 동력학 과정에 대해 뚜렷한 영향을 끼치고 있다는 점을 발견하였으며, 이런 상황에 대해 일반적인 광 조사 실험과 광 스펙트럼 측정 과정에서 세심한 주의가 필요하다는 연구 결론을 도출하였음.

연구팀이 이번 연구를 통해 취득한 성과는 표면 플라즈몬 광자학 분야에서의 기본적인 물리 과제를 해결하고, 표면 플라즈몬을 확장한 고 민감 검출과 센서, 태양전지 등 마이크로 나노 디바이스 응용을 추진하는 면에서 중요한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 ‘Nano Letters’ ("Ultrafast Electron Cooling and Decay in Monolayer WS2 Revealed by Time- and Energy-Resolved Photoemission Electron Microscopy")지에 게재됨.