초저온에서의 게르마늄 나노선의
성장 경로 규명
- Nano Letters 발표, “유연한 기판에서의 소자 집적 가능성 열어”-

 

 

□ 최근 각광받는 연구 분야인 게르마늄(Ge) 나노선(nanowire)의 핵 생성 및 핵 성장 전반의 과정을 투과전자현미경(TEM)으로 실시간 관찰한 결과, 플라스틱처럼 온도에 민감하고 유연한 기판에서도 Ge 나노선이 다양한 나노소자에 집적될 수 있는 가능성이 국내 연구진에 의해 밝혀졌다. 이번 연구 성과를 통해 집적도‧성능‧효율 면에서 한계에 부딪힌 전자소자(ex. 트렌지스터) 및 에너지소자(ex. 태양전지)의 문제점 극복에 한걸음 다가서게 되었다.

 

  ○ 광주과학기술원(GIST․지스트․총장 김영준) 신소재공학부 김봉중 교수(39․제 1저자)가 주도하고, 미국 IBM 왓슨(Watson) 연구소, 미국 브룩헤이븐(Brookhaven) 국립연구소와 협력한 이 연구 결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters’지 11월호에 게재됐다. (논문명: Growth pathways in ultra-low temperature Ge nucleation from Au)

 

□ 지금까지는 나노구조물이 성장한 후의 사후적 분석에 의존할 수밖에 없어, 나노구조물의 생성원리와 성장 특성을 파악할 수 없었다. 하지만 김 교수팀은 이 문제를 투과전자현미경을 이용한 실시간 관찰을 통해 근본적으로 해결했다.

 

  ○ 이번 연구에서는 외부의 분자가스를 투과전자현미경 내 밀폐된 영역으로 유입하고, 실시간 투과전자현미경 기법을 이용해 원자해상도 상태에서 Ge 나노선의 생성과정 전반을 빠른 속도(초당 30 프레임 이상)로 관찰하였다.

 

  ○ 또한, 투과전자현미경 내에서의 전면(plan view)과 측면(side view) 관찰을 통해 Ge 나노선의 입체적인 형태를 정확히 이해하고, Ge 나노선의 핵 생성과 성장을 정량적으로 측정할 수 있었다. 이 측정 결과를 토대로 간단한 이론적 모델을 적용해 Ge 나노선의 생성원리와 운동학적 특성을 규명하였다. 이제껏 알려져 온 기상-액상-고상 (vapor-liquid-solid)기구에 의한 성장뿐만 아니라, 온도 변화 시 기상-고상-고상(vapor-solid-solid)과 혼합(mixed)기구 등에 의한 나노선의 성장이 관찰되었고, 이러한 기구에서의 성장속도 또한 독특한 특성을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 특히, 기상-고상-고상기구에 의한 Ge 나노선의 성장은 섭씨 150도 이하에서도 가능한 것으로 확인되었다.

 

  ○ 저온에서 성장 가능한 나노선의 발견은, 현재 박막공정에 의존하는 전자와 에너지 소자의 크기 감소와 함께 이들이 지닌 양자효과와 빠른 전자 수송능력 덕분에 소자의 기능성과 효율성 면에서 획기적인 향상을 가져올 것으로 기대된다. 이번 연구 성과는 향후 몇 가지 성장조건의 변화만으로 나노선의 성장 특성들을 조절 및 재현할 수 있음을 보인 것으로, 실제소자로의 활용 가능성을 높인 것으로 평가할 수 있다.     <끝>