이지훈 교수 연구팀, 희토류 금속메타표면 플라즈모닉 나노합금구조물 기반 GaN 자외선 (UV) 포토센서 개발

?- JCR IF 9.043 과학전문지 게재 -

광운대 전자공학과 이지훈 교수 연구팀은 전자공학과 순다 박사과정 연구원(제 1저자)과 함께 다양한 메타표면 (meta-surface) 플라즈모닉Au-Ag (Gold-Silver) 합금 나노구조물 기반의 GaN 포토센서를 구현하고, 효율이 월등히 향상된 디바이스를 구현하는데 성공하였다. 희생층 원자승화 성장법 및 열탈수현상 성장매개 변수의 효율적인 관리, 표면 자유에너지 최소화 효과를 적용하여, 다양한 형태의 플라즈모닉 Au, Ag, Au-Ag 나노 합금구조물을 합성하였으며, 이를 다양한 메타표면 (meta-surface) 기반의 플라즈모닉 GaN 포토센서에 적용하여, 기존 포토센스에 비해 월등히 높은 효율을 구현하는데 성공하였다.

작은 금속성 나노구조, 즉 메타표면 플라즈몬 나노입자는 입사 광자에 의해 여기 될 때 표면 전자의 집단진동 (Resonant Coupling)을 통해 강한 광흡수, 산란 및 국소 전자기장의 특성인 국소화된 표면 플라즈몬 공명 (localized surface plasmon resonance, LSPR) 효과를 나타낸다. 메타표면 플라즈몬 나노입자의 LSPR은 특히, 포토 디텍터의 광 반응을 혁신적으로 개선시킬 수 있다. 이지훈 교수 연구팀은 본 연구를 통해 희토류 금속 메타표면 플라즈모닉 Ag-Au 나노합금 구조물의 최적 합금비율 구현, 초기 핵생성 (nucleation) 단계의 비밀을 밝혀내, 금속 원자의 상호 및 표면 전이 과정을 규명하였으며, 메타표면 기반의 나노 합급 구조물의 효율적인 성장 및 제어를 가능케 하였고, 이를 통하여 포토 디텍터의 광반응을 혁신적으로 개선시킬 수 있었다.

최근, 전도대 전자의 집단진동 (Resonant Coupling) 으로 인해 국부화된 표면플라즈몬 공명 (LSPR)을 유도하는 플라즈몬 나노 물질은 다양한 광 검출기의 개선된 성능을 달성할 수 있는 유망한 후보로서 높은 연구적 관심을 받고 있다. 자외선 (UV) 탐지는 광전자, 환경 및 생물학적 모니터링, 산업 자동화, 화염 감지, 군사, 통신 및 우주 탐사 등의 광범위한 응용 분야에서 많은 관심을 얻고 있다. UV 포토 디텍터는 고감도, 빠른 응답, 낮은 전력 소비 및 안정적인 작동을 특징으로하여 다양한 분야에 응용될 수 있다. 예를 들어, UV 통신 시스템은 가시광선의 간섭이 적고, 기상조건 및 산란에 둔감하기 때문에, 이를 응용한 무인 접지센서 네트워크 시스템이 성공적으로 개발되었다.

사진 설명?: (a) GaN상의 플라즈몬 금속 나노 입자 (NP) 기반 UV 포토센서의 개략도. (b) 포토센서 활성 영역 및 Au 전극의 EDS 원소 맵. (b-1) 활성 영역에서 전형적인 금속성 NP의 AFM 표면 형태. (c) 활성 영역에서 NP의 EDS 스펙트럼. (d) 유한 차분 시간 도메인 (FDTD) 시뮬레이션에 의한 전형적인 금속성 NP의 전자장 분포. (e) 입사광에 의해 금속 NP 상에 유도 된 국소 표면 플라즈몬 공명 (LSPR)의 개략도. (f) UV (385 nm) 광의 조명시 0.1V 바이어스에서bare GaN 및 Ag4Au3의 광반응.  

이번 연구의 연구진은Sundar Kunwar (박사과정, 광운대 ? 제 1저자), Sanchaya Pandit (석박통합과정, 광운대), Jae-Hun Jeong (연구교수, 광운대) and Jihoon Lee (교수, 광운대 - 교신저자)이며, 우리 대학 단독 연구로 진행 되었다. 순다쿤와 (Sundar Kunwar) 학생은 2015년 광운대 전자과 석사과정으로 입학하였으며, 현재 박사과정5년차 연구원이다. 현재까지 Nano-Micro Letters (IF: 9.043)외 Q1저널의 제1 저자로 10여편의 논문을 출판하였으며, 공동저자로도 20편이상의 논문을 출판하였다. 저널커버도 5편 출판, 국제학술대회 수상 등 아주 우수한 실적을 이뤄내고 있다. 박사학위 취득후, 우수한 기관에서 계속 연구를 이어가고 싶다는 멋진 포부를 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 중점연구소 및 중견연구자 지원사업과 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 Nano-Micro Letters (IF: 9.043) 2020년 04월 13일자 온라인 판에 “Improved Photoresponse of UV Photodetectors by the Incorporation of Plasmonic Nanoparticles on GaN through the Resonant Coupling of Localized Surface Plasmon Resonance”의 제목으로 게재되었다.