오비탈 전자 분포 형상과 전자 충돌에 의한 인트라밴드 오제현상(제공:IBS)© 뉴스1

기초과학연구원(이하 IBS) 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장(고려대 화학과 교수)연구팀이 양자점을 활용한 반도체의 성능을 저해하는 새로운 요인을 발견했다.3일 IBS에 따르면 양자점(Quantum Dot)은 지름이 2~10nm(나노미터‧10억분의 1m) 수준에 불과한 반도체 입자다.

그 크기에 따라 다른 주파수의 빛을 방출하는 등 독특한 전기적·광학적 성질을 지닌다.

양자점 기술의 핵심은 전도대로 들뜬 전자가 어떤 경로를 거쳐 정공과 재결합하는지에 달려 있다.

지금까지 들뜬 전자의 움직임을 파악하기 위한 많은 분광학 연구가 진행됐다.

하지만 기존 연구는 가전자대에 생성되는 정공의 영향 때문에, 복잡한 전자전이(전자의 에너지 준위가 바뀌는 것)를 명확히 관찰하기 어려웠다.

또 기존 기술은 전자의 동력학을 실시간으로 관측하기엔 한계가 있었다.연구진은 100펨토 초(fs·1000조분의 1초) 단위로 시료를 분석할 수 있는 ‘펨토초 시분해 분광법’을 이용해 ‘자가도핑 양자점(self-quantum dots)' 전도대 내부에서 벌어지는 전자 전이만 선택적으로 실시간 관측하는데 성공했다.

자가도핑 양자점은 전도대의 일부가 전자로 차 있는 입자로, 가전자대의 정공의 영향 없이 전도대 내부 전자의 움직임만을 선택적으로 관측하기 유리하다.

그 결과, 약 1피코 초(ps‧1조분의 1초) 내에 전자와 정공이 재결합하는 새로운 현상을 발견하고 이를 ‘인트라밴드 오제현상(intraband Auger process)’이라 명명했다.

이는 기존 기술로는 관측할 수 없었던 새로운 현상이다.

기존 오제 현상은 가전자대의 정공이 에너지 전달에 있어 주요한 역할을 수행했다.

반면, 관측된 인트라밴드 오제현상의 경우, 전도대의 전자들 간의 충돌 및 에너지 전이를 기반으로 일어난다.

조민행 단장은 “전도대 내 전자 전이만을 선택적으로 관측한 결과 양자점 기술의 성능을 저하시키는 또 다른 요인을 찾아낼 수 있었다”며 “반도체 양자물질의 효율을 개선할 수 있는 방법에 도움이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 ‘셀(Cell)’의 자매지인 ‘매터(Matter)’ 1월30일자 온라인판에 게재됐다.


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