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원자 단위의 소리 움직임을 광학 현미경으로 본다

김현민 DGIST 선임연구원 "신소재·태양전지·촉매 개발 등의 분야에 활용"
순간 2차 고조파 이미징 시스템을 개발한 김현민 DGIST 동반진단의료기술융합연구실 선임연구원.<사진=DGIST 제공>순간 2차 고조파 이미징 시스템을 개발한 김현민 DGIST 동반진단의료기술융합연구실 선임연구원.<사진=DGIST 제공>

국내 연구팀이 원자 단위로 층을 이루는 물질의 소리 움직임을 300나노미터의 고해상도로 이미징할 수 있는 기술을 개발했다.

DGIST(대구경북과학기술원·총장 손상혁)는 김현민 동반진단의료융합연구실 선임연구원 연구팀이 안종현 연세대 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 대표적 원자적층 구조 2차원 물질인 이황화몰리브덴(MoS2)의 극초속 움직임을 300나노미터의 해상도로 분석할 수 있는 '순간 2차 고조파 이미징 시스템'을 개발했다고 1일 밝혔다.

지금까지 원자 단위 2차원 구조체에서 펨토초 단위의 극초속 전자 움직임이나 관련된 소리 발생을 측정하기 위해서는 펌프-프로브 방식으로 구성된 펄스파를 소재에 쏴서 발생하는 프로브 파의 흡수나 반사의 변화를 측정해 분석했다.

하지만 이같은 경우에는 변화되는 신호가 작아서 신호대 잡음비를 늘리기 위해 측정 시간을 늘리고 고성능 신호 증폭기를 사용해야 하는 번거로움이 있었다.

또 이러한 방법에 사용되는 레이저는 에너지가 높아 레이저의 초점 사이즈를 수 마이크로미터(㎛) 미만으로 조절할 경우 샘플 손상과 박리 현상을 야기할 수 있고 샘플 사이즈가 작을 경우 분석에 한계가 있었다.

연구팀은 샘플의 손상을 줄이는 동시에 레이저 초점 사이즈를 줄일 수 있도록 기존의 순간흡수방식 분광기에서 사용되던 레이저 출력을 수천 배에서 수만 배 정도로 줄였다. 또 실시간으로 시각화하기 위해 고성능 스캐닝 시스템을 적용했다.

자연계에 존재하는 이황화몰리브덴 결정을 스카치테이프 박리법을 이용해 원자 층으로 만들고, 레이저와의 접촉 시 발생하는 열을 원활히 배출하기 위해 알루미나 층을 샘플 위에 얇게 도포해 대물렌즈에 최적화시켰다.

연구팀은 1.04㎛ 크기의 근적외선 파장을 프로브파로 이용해 레이저의 물질 투과도를 높였다. 이에 따라 발생하는 2차 고조파 파장이 초록색(520nm)의 가시광선 영역에 위치하게 해 2차원 물질의 밀집된 에너지 밴드 이온화 에너지 부근 영역까지 전자의 움직임을 분석할 수 있도록 효율을 극대화했다.

또 시간분해 기능을 뺀 2차 고조파 이미징 시스템을 4파 혼합파 이미징 기능과 결합했다. 화학증기 증착법을 응용해서 제조한 이황화몰리브덴의 적층구조 분석에 적용해 육각, 삼각 별 모양 등의 다양한 구조 분석에 쓰일 수 있음을 증명했다.

김현민 선임연구원은 "순간 2차 고조파 이미징 기술을 이용해 대량생산되는 재료의 전자-홀 움직임 분석을 동시다발적으로 시각화할 수 있어 나노 신소재 기반 원천기술 개발에 크게 기여할 수 있을 것"이라며 "확보된 고해상도 실시간 분석 기술을 물리적 회절제약 환경 분석으로 확대해 초정밀 에너지와 광소자 개발 연구를 진행하겠다"고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 세계적 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난달 13일자 표지논문과 네이처 자매지인 '엔피지 아시아 머터리얼즈(NPG Asia Materials)'에 지난달 9일자 온라인판으로 각각 게재됐다.
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