Investigation of physical properties at metal-semiconductor nanostructure interface

Abstract

빛-물질 상호작용의 이해를 위해, 특히 금속-반도체 구조에서 광전기/광촉매 효율 향상 메커니즘에 대해 집중적으로 연구 하였다. 금속의 크기가 빛의 파장과 비슷하거나 작아지면, 그 빛을 흡수 할 수 있는 특이한 성질을 가진다. 우리는 이를 국소 표면 플라즈몬 공명 현상이라고 부른다. 이러한 성질이 발견된 이후, 반도체 기반 광전기/광촉매 소자의 효율 향상을 위해 금속 나노구조가 많이 도입 되었다. 금속 나노구조의 국소 표면 플라즈몬 공명 현상으로 인해 광전기/광촉매 효율은 크게 상승 하였고, 그 이유가 무엇인지 다양한 메커니즘이 제시 되었다. 하지만 이러한 메커니즘을 기대하고 소재 제작을 하더라도, 원하던 만큼의 효율을 얻기란 쉽지 않았다. 그 이유는 국소 표면 플라즈몬 공명 현상 자체가 굉장히 빠른 시간 내에 발생-소멸하는 과정으로 그 에너지를 이용하기 란 쉽지 않기 때문이다. 어떻게 하면 이런 빠른 시간 내에 사라지는 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 활용해 광전기/광촉매 효율을 향상 시켜야 하는 걸까? 본 연구는 금속-반도체 경계면에서 그 해답을 찾으려고 한다. 그 이유는 국소 표면 플라즈몬 공명 현상으로 전자 또는 에너지가 반도체 소재로 유입되게 되는데, 이러한 과정이 금속-반도체 경계면의 전기적 구조 등에 많은 영향을 받기 때문이다. 그리고 다음과 같은 근본적인 질문에 대한 답은 여전히 부족한 상태이다. 예를 들어, 전자 또는 에너지 이동에 영향을 받는 요소는 무엇인가? 반도체 소자에 어떻게 하면 많은 전자(또는 홀)을 생성 시킬 수 있을까? 이러한 질문들에 답을 하기 위해 금속-반도체 경계면에서 전자가 어떠한 요소에 영향을 받는지 연구를 진행하였다. 광전기/광촉매 분야에서는 총 3가지 단계를 거쳐 메커니즘 연구를 진행하였다. 첫번째 단계에서는 금속-반도체 나노선 소자를 제작하여 광전류를 측정하였고, 광학 시뮬레이션과 광전기 특성 분석을 통해 금속-반도체 경계면에서 발생하는 공간 전하에 의해서 광전류 효율이 크게 향상 될 수 있음을 관측 하였다. 두번째 단계에서는 실제로 금속-반도체 경계면에서 전자(또는 홀) 이동의 직접적인 관측을 통해서 첫번째 단계에서 제시한 광전류 효율 향상 메커니즘을 심도 있게 다뤄보았다. 특히 전자 이동에 영향을 받는 요소는 금속-반도체 이종 접합 표면에 나타나는 페르미 에너지 정렬 효과가 굉장히 중요하다는 사실을 제시하였다. 그리고 마지막 단계에서는 광촉매 효율 향상 메커니즘 중 전자 또는 에너지 유입 둘 중에 어느 것이 더욱 중요한 요소 인지에 대해 답을 해보기 위해 비교 실험을 진행하였다. 그 결과, 금속-반도체 이종접합에서 에너지 밴드 정렬 효과를 고려하면 전자 유입이 에너지 유입보다 더 큰 효율을 야기 시킬 수 있음을 제시하였다. 마지막으로 두번째 단계에서 관측한 페르미 에너지 정렬 효과 이해를 바탕으로 금속표면에서 일어나는 플라즈몬-유도 산화 반응에 대한 메커니즘 연구 또한 진행 하였다. 이 분야에서도 금속 표면에서 일어나는 산화 반응의 메커니즘이 불분명 하였는데, 그 이유는 전자 이동 방향을 정확히 이해하지 못했기 때문이다. 페르미 에너지 정렬 효과로 나타난 표면 밴드 휨 효과를 활용해 전자 이동 방향을 확인하여, 산화 반응에 일으키는 메커니즘은 전자에 의한 영향이라는 것을 제시하였다.