[천지일보=김민아 기자] 고려대학교 이과대학 화학과 정광섭 교수 연구팀과 KU-KIST 융합대학원 권영완 연구교수의 공동연구팀이 화학적 합성을 통해 콜로이드 퀀텀닷 내의 전자의 개수를 조절할 수 있음을 밝혔다.
반도체 나노입자인 콜로이드 퀀텀닷은 크기가 10억분의 1 미터(=1 nm 나노미터) 단위의 지름을 가진 나노물질로써 전기적인 성질과 광학적 성질이 물질의 크기에 따라서 크게 변한다. 특히 물질의 크기가 작기 때문에 원자의 불연속적인 에너지 준위와 같이 전자가 위치하는 에너지 준위가 불연속적으로 존재한다.
최근 퀀텀닷의 자기적 성질을 이용한 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만 기존에 연구되었던 자성을 가진 퀀텀닷은, 자성을 띠는 불순물 전이금속을 양자점에 주입함으로써 퀀텀닷 자체가 아닌, 불순물로부터 유도되는 자성을 사용하는 방식이었다.
불순물의 주입은 안타깝게도 퀀텀닷의 큰 특징인 ‘불연속적인 에너지 준위 간에 가능한 다양한 에너지 전이‘를 사용할 수 없게 했다. 실질적으로 양자효과를 충분히 활용하지 못하는 한계가 보였기 때문에, 불순물 금속이 없는 조건에서, 에너지가 상대적으로 높은 컨덕션밴드 내의 에너지 준위에 전자를 안정적으로 위치시키고, 그 전자의수를 제어하여 자성을 가지게 할 필요가 있었다.
빛이나 전기 등의 외부에너지를 가하지 않기 때문에 컨덕션 밴드에 전자 하나를 안정적으로 있게 하는 것은 콜로이드 퀀텀닷 연구기간인 지난 30여 년 간 발견하지 못했던, 컨덕션밴드 내 정상 상태 홑전자 양자 준위 (Singly occupied quantum state, SOQS)가 된다.
이같은 도전적인 문제에 대해 정광섭 교수 연구팀은 퀀텀닷 컨덕션밴드 내 가장 낮은 에너지 준위와 두 번째 낮은 준위 사이의 인트라밴드 전이가 가능하다는 사실을 바탕으로 밴드갭 너머의 에너지 준위의 전자 수 조절에 성공했다.
합성단계에서 전자 수 제어가 가능하다는 것은, 밴드갭 너머 상위 에너지 준위에 전자 개수를 조절하여 콜로이드 퀀텀닷의 광학적/자기적 성질을 실질적으로 제어할 수 있게 되었음을 의미한다. 결과적으로 ‘디지털 양자정보 전달의 매체로 사용 할 수 있는 잉크’ 형태의 콜로이드 나노물질 생산이 가능하다는 것을 보여줬다.
정광섭 교수는 “SOQS 상태의 콜로이드 물질을 나노물질간의 전자 이동, 스핀 제어기술을 통해 스핀트로닉스, 비휘발성 메모리, 적외선 광전자소자, 촉매, 양자컴퓨팅 등의 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대한다” 고 연구의 의의를 밝혔다.
한편 이 연구는 미래창조부와 한국연구재단 개인연구자지원사업(신진연구), 학문후속세대양성사업(리서치펠로우), 이공분야 중점연구소지원사업으로 수행됐고 화학·재료·물리·나노 분야에서 국제적으로 권위 있는 과학지인 ‘Nano Letters’에 올해 2월에 게재됐다.
◆용어설명
-콜로이드 퀀텀닷: 화학적 합성으로 형성한 수나노미터 크기의 콜로이드 형태의 저차원 반도체 나노물질
-홀(hole): 전자의 부족으로부터 생기는 구멍으로 상대적으로 양의 전하를 가지고 있는 것처럼 보임
-밸런스밴드(Valence band): 절대영도에서 전자가 존재하는 가장 높은 전자 에너지 준위들
-인트라밴드 전이(Intraband transition, 띠내) 전이: 반도체 나노물질의 컨덕션밴드 내에서 일어나는 불연속적인 에너지 준위 간 발생하는 전자전이