물질 원자 보는 현미경으로 다이아몬드의 빛 검출한다!

원자를 보는 현미경으로 나노 다이아몬드가 내는 빛을 검출하는 분석법이 개발됐다. 나노 다이아몬드뿐만 아니라 실리콘을 대체할 차세대 반도체 소재들도 분석 가능한 기술이다.

UNIST(총장 이용훈) 화학과의 권오훈 교수팀은 나노 다이아몬드와 같은 ‘와이드 밴드갭 물질’의 발광 특성과 물질 내 전하 입자 이동 등을 분석하는 기술을 개발했다. 와이드 밴드 갭 물질은 차세대 반도체 소재, 양자광원 소재 등으로 주목받는 소재지만, 에너지 밴드 갭이 넓은 특수한 물리적 특성이 있어 일반 분광 분석법으로 발광 특성 분석이 쉽지 않았다.

그림1. 투과전자 현미경을 이용한 나노 다이몬드의 발광특성 분석

권 교수팀은 고해상도 투과전자 현미경에 음극선 발광 검출기를 결합하는 새로운 분석법을 썼다. 투과전자 현미경은 원래 전자빔을 물질에 쏴 물질의 구조를 원자수준에서 보는 현미경이다. 이 투과전자 현미경의 고에너지 전자빔으로 와이드 밴드 갭 물질의 전자를 들뜬 에너지 상태로 만들 수 있어 발광 특성 분석이 가능해진다. 전자가 들뜬 에너지 상태에서 바닥 에너지 상태로 떨어지면서 빛이 나오고(발광) 이 정보가 음극선 발광 검출기로 전달되는 원리다.

나노 다이아몬드 내 질소 공공 센터간 전하 이동

연구팀은 이 기술로 차세대 양자광원 소재로 꼽히는 나노 다이아몬드를 분석했다. 나노 다이아몬드 내부에는 양자컴퓨터나 정보통신의 광원으로 쓸 수 있는 미세 구조 (다이아몬드 NV 센터)가 여러 개 있는데, 이 미세 구조 사이에서 일어나는 전자의 이동과 그 소요 시간을 밝혀냈다.

연구진이 보유한 국내 유일의 4차원 초고속 투과전자 현미경 기술 덕분에 이러한 분석이 가능했다. 아주 작은 물질 속에서 순식간에 일어나는 현상을 포착할 수 있는 기술이다. 전자빔을 피코(10-12)초 단위로 끊어 조사하여 물질 내 전자의 이동처럼 매우 짧은 순간에 일어나는 현상을 읽어낼 수 있으며, 빔을 쏘는 영역을 아주 좁게 만들 수 있어 머리카락 굵기보다 훨씬 작은 나노 다이아몬드 입자 하나의 구석구석까지 발광 현상을 분리해 측정할 수 있다. 기존에는 나노 다이아몬드 여러 개가 모인 앙상블 상태의 발광 현상만 검출이 가능해 입자 각각의 광특성을 구분해 내는 감도가 떨어졌다.

제 1저자인 김예진 연구원 (화학과)은 “이번에 개발된 투과전자 현미경 기반 분석법은 똑같이 전자빔을 쓰는 주사전자 현미경 기술과 비교해 물질 내부의 깊숙한 지점까지 관측할 수 있다는 우위가 있다”고 개발된 기술을 설명했다.

권오훈 교수는 “해외 여러 연구팀에서도 이와 유사한 기법을 완성하기 위해 활발히 연구 중”이라며 “이번 연구로 올 해 7월 프랑스 연구팀이 발표한 주사투과전자 현미경 기반 기술과 견줄 수 있는 첨단 이미징 분석 기법을 제시했다”고 평했다.

권 교수는 이어 “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 것”이라고 기대했다.

연구 수행은 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 이뤄졌으며, 연구 결과는 12월 13일(현지시각) 세계적인 학술지인 ‘ACS 나노 (ACS Nano)’에 발표됐다