- [2011. 8. 2] 여인환 교수팀 연구 2011.08.03
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여인환 교수팀 연구
나노미터 공간분해능을 가진 단일전자 분광기법 개발
Version : 08.01- 나노미터(nm)의 공간분해능과 나노초(ns)의 시간분해능을 동시 적용하는 나노기술 개발
- 낱개씩 전자를 주입하면서 발생하는 반응을 직접 검출 (단전자분광기법, single charge spectroscopy)
- (실리콘에서) 양자우물의 에너지가 나노구조물로 변환하는 과정을 시간적으로 조명나노미터와 나노초의 분해능을 가진 최신 나노기술이연세대학교 여인환 교수가 이끄는 연구팀에 의하여 개발되어 나노차원의 물질 분석 및 조작에 획기적 발전을 기대하게 되었다. 이 결과는 미국 학술원이 발행하는 세계 최고 수준의 학술지인 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)에 8월 첫째 주 인터넷 판에 게재되었다.
여인환 교수 연구팀은 원자분해능을 보유한 주사터널링현미경(scanning tunneling microscope)에 나노초의 시간분해능을 가지고 에너지 전달 과정을 제어 및 측정할 수 있는 나노기술을 개발하였다. 이 기술은 4 pA ( 암페어)의 전류를 약 4 ns ( 초) 동안 흘려주면 전자 하나의 전하( 쿨롱)가 전달되는 원리에 착안하여 이것이 실행가능한 장비를 개발함으로써 단전자분광기법이 가능하게 되었다.
본 연구는 이 기술을 실리콘에 적용하여 나노차원의 구조물(솔리톤쌍, bi-soliton : 두개의 솔리톤이 결합한 구조물. 참고자료 1, 2, 3 참조)에 대한 생성과정을 실험하였다. 그 결과, 나노초 단위의 펄스가 전달될 경우 나노차원의 양자우물이 먼저 형성되고 이 양자우물이 전자로 채워지는 과정에서 솔리톤쌍이 형성됨을 나노초의 시간분해능을 이용하여 전체 생성과정에 대해서 보여줄 수 있었다. 나노 공간 분해능 및 시간 분해능 기술은 나노기술의 가장 핵심적인 것 중 하나로서 원자 및 분자들의 물성을 원자분해능으로 뿐만 아니라, 이러한 원자 및 분자들의 시간적 변화를 나노초 차원에서 측정할 수 있게됨으로써 나노기술의 새로운 영역을 열었다고 볼 수 있다.
공동연구자인 연세대 최형준 교수 연구진은 솔리톤쌍의 구조와, 생성에너지와 생성 조건에 대한 이론적 계산과 모델 검증을 통하여 이 연구를 뒷받침하였다.
주사터널링현미경은 스위스 취리히의 IBM 연구소 소속 하인리히 로러 박사와 게르트 비니히 박사에 의하여 개발되었으며 이 두 사람은 1986년 노벨물리학상을 수상하였다. 기존의 주사터널현미경의 시간분해능은 통상 1 ms ( 초) 정도인데 비하여 여인환 교수팀이 개발한 이 기술은 약 백만배의 시간분해능 향상 효과를 가져와서 나노연구에 획기적인 전기를 마련하게 된 것이다.
또한 이 연구는 보여준 결과 중의 하나는, 실리콘 기반의 커패시터가 매우 작아질 경우 커패시터의 양 전극에 양자효과로 인하여 양자우물이 형성되는데 (이 경우를 양자커패시터(quantum capacitor)라고 본 연구진이 명명함), 이 양자우물로 말미암아 (솔리톤쌍의 생성과 같이) 이제껏 예상하지 못했던 에너지 소비가 추가적으로 일어남을 보여주었다. 이 에너지 소비는 극저전력 전자소자의 전력소모 한계치를 고려할 때 양자커패시터 효과라는 새로운 현상을 필수적으로 고려해야 함을 이 연구가 밝히고 있다.
또한 이 양자커패시터에 형성된 양자우물이 소멸되는 속도, 즉 양자우물의 수명이 본 연구에서는 현재 물리적 예상치보다 훨씬 더 길게 측정되었다. 측정치는 약 1 μs (10-6 초)인데 반하여 예상치는 10-15 s로서 큰 간극을 보여주고 있어 이 간극의 근원에 대한 추가적인 이론적 실험적 연구가 앞으로 필요함을 보여주었다.❍ PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)
PNAS는 1914년 이래 미국학술원이 발행하는 학술지(2010년 영향력 지수 (Impact Factor) = 9.771 (5년 평균 영향력 지수 = 10.591)이며 본 논문은 저자 직접 투고 형식으로 게재되었다.
(참고로 PNAS는 직접투고 (edited by X, 여기서X는 학술원 회원), 학술원 회원을 통한 간접투고 (communicated by X), 학술원회원 투고 (contributed by X)의 투고 경로가 있으며 이 논문은 직접투고에 해당한다. )
참고자료 1. 솔리톤쌍의 생성과 소멸
- 짧은 펄스형 전압 파형을 이용하여 낱개의 솔리톤쌍을 생성시킬 수도, 소멸시킬 수도 있음.
A. 실험이 수행된 실리콘의 초기 표면.
B. A의 노란색 × 자리에 전기적 펄스를 가하여 생성한 솔리톤쌍의 영상.
C. C의 노란색 × 자리에 다시금 전기적 펄스를 가하여 솔리톤쌍을 지우는 영상.
D. 다시 회복한 실리콘의 청정 표면.참고자료 2. 솔리톤쌍의 구조
A. 실험이 수행된 실리콘 표면의 주사터널링현미경 영상
B. A 그림에 대한 원자 모형. 검은 색과 붉은 색 구는 낮은 위치와 높은 위치에 있는 실리콘 원자를 가르킴. 낮은 곳에 위치한 실리콘 원자가 전자밀도로 인하여 더 밝게 보이기 때문에 A와 B가 서로 반대방향으로 보임을 주의.
C. 솔리톤쌍이 형성된 경우의 주사터널링현미경 영상.
D. C 그림에 대한 원자 모형. 짙은 푸른색 구는 주변에 비하여 배열 순서가 바뀐 원자들은 가르키며 이들이 솔리톤쌍을 구성한다.
E. B와 D에 그려진 실리콘 표면 원자들의 구조는 토글(toggle)스위치처럼 기울어져 있어 반대 방향으로 다시 기울이거나 D처럼 2개씩 기울어지게 할 수 있음.
참고자료 3. 나노초 파형 기술을 이용하여 다양한 솔리톤쌍 구조물의 제작
A : 솔리톤쌍을 한방향으로 지속적으로 만들어 생성시킨 일차원적 구조물. 임의로 길게 제작할 수 있음.
B : 솔리톤쌍을 측면으로 생성시켜 연결한 그림.
C : A와 B의 기술을 결합하여 ‘Y’자 형태의 구조물을 만든 그림.참고자료 4. 나노차원의 시간 및 공간분해능을 위한 하드웨어 구성도
윗 그림은 펄스발생기 (pulse generator)에서 발생된 전기파형이 동축케이블을 통하여 주사터널링현미경( 점선의 원, C)에 도달하며 그 고속 전기파형이 펄스 실험의 경우 터미네이터 (R)을 통하여 접지로 연결됨을 보여준다. 통상의 경우 스위치 S1은 주사터널링현미경의 영상 작업을 위한 전류 증폭기로 연결되어 있다. 이러한 전기회로를 통하여 고속 전기파형이 변형없이 전달될 수 있으며, 솔리톤쌍의 생성과 소멸 과정에 대한 측정을 자동적으로 진행할 수 있다.
참고자료 5. 나노초 시간 분해능 데이타
위 그래프는 오른쪽의 별도 그림과 같은 전압 파형을 실리콘 표면에 인가하여 생성된 솔리톤쌍의 생성률(yield)을 주입된 정공(hole)의 개수와 파형의 길이에 따라 나타낸 것임. 그래프는 싱글 솔리톤쌍 (SB)의 경우 초기 약 400 나노초 후, 또는 주입된 정공의 개수 15개 이내에서 생성률이 포화됨을 보여준다.참고자료 6. 나노초 펄스에 의한 솔리톤쌍의 생성과정 모식도
솔리톤쌍은 전자우물의 생성과정과 연관되어 있는데, 아래 그림 D와 같이 전자우물이 생성될 때 매우 급격히 생성되면 빈 채로 형성되기 때문에 전자들이 이 전자우물이 채울 때 발생하는 에너지가 솔리톤쌍을 생성시킨다.
A, B : 실리콘 표면에 A와 같이 양전압을 걸고 있다가 B와 같이 음전압으로 나노초 단위에서 전압을 바꿔주면 나타나는 전하들의 분포.
C, D : C는 양전압이 걸려있을 때의 포텐샬 분포이며 D는 음전압이 걸릴 직후의 포텐샬 분포로서 C에서는 전자들이 빠져나가 있다가 D에서는 전기장의 급격한 변화로 형성된 전자우물을 채우기 위하여 전자들이 몰려들어 오는 것을 나타냄.
E : D에서 비평형적으로 생성된 전자우물은 일정 수명을 가지고 수멸된다.
F : 전자우물을 채우는 과정에서 에너지적으로 불안정한 형태의 솔리톤쌍이 생성됨(분홍색 화살표가 가르키는 방향)을 보여주는 모식도.참고자료 7. 솔리톤쌍 생성율은 위치에 따라 매우 다르다
A : 실리콘 표면의 3차원적 구조. 컬러바의 pm은 피코미터 (10-12 m).
B : 실험적으로 측정한 솔리톤쌍의 생성확율. 위치에 따라 크게 바뀌어 최소값과 최대값 간에 약 500% 차이를 보임.
C : 이론적으로 계산된 솔리톤쌍의 생성확율. B와 매우 유사하여 솔리톤쌍 생성에 관한 이해가 충분히 이뤄지고 있음을 보여줌.
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