초록 ▼

본 과제의 연구수행으로 1차적으로 저온에서 작동하는 터널링-유도 광방출 STM 장치 셋업을 완료하였다. 연구실에서 보유하고 있는, 20-350 K의 온도에서 작동하는 변온-STM의 디자인을 수정하여 터널링 과정에서 발생하는 빛을 수집하기 위한 광섬유를 탐침과 시료 사이에 접근시켜 600μm 두께의 광섬유를 사용하여 탐침과 시료 사이의 투과 틈에서 발생하는 빛을 수집하도록 장치하였다, 광섬유를 탐침과 시료 사이로 0.5μm의 최대 정밀도로 정교하게 접근시킬 수 있도록 스테핑 모터와 컴퓨터 컨트롤을 이용해 광섬유의 움직임을 제어할 수

본 과제의 연구수행으로 1차적으로 저온에서 작동하는 터널링-유도 광방출 STM 장치 셋업을 완료하였다. 연구실에서 보유하고 있는, 20-350 K의 온도에서 작동하는 변온-STM의 디자인을 수정하여 터널링 과정에서 발생하는 빛을 수집하기 위한 광섬유를 탐침과 시료 사이에 접근시켜 600μm 두께의 광섬유를 사용하여 탐침과 시료 사이의 투과 틈에서 발생하는 빛을 수집하도록 장치하였다, 광섬유를 탐침과 시료 사이로 0.5μm의 최대 정밀도로 정교하게 접근시킬 수 있도록 스테핑 모터와 컴퓨터 컨트롤을 이용해 광섬유의 움직임을 제어할 수 있는 XYZ-Manipulator 구동을 자동화한 시스템을 구축하였다. 또한 STM 스캐닝 프로그램과 광방출 측정을 위한 CCD와의 연동을 위해 Labview 언어를 이용하여 광방출 실험에 적합한 프로그램을 제작하여 터널링-유도 광방출 STM 장치 셋업을 완료하였다.

이렇게 완료된 터널링-유도 광방출 STM 장치 셋업을 이용하여 Si(111)-7x7 표면 위에서의 성장된 Ag 나노 박막으로부터의 광방출을 검출하고 그 스펙트럼을 측정하였다. 상온 상태로 유지된 Si(111)-7x7 기판 위에 Ag 금속을 매우 느린 증착속도로 증착시켜 두께가 10 층 미만인 Ag 박막을 형성하였다. 이렇게 Ag 증착된 표면에 대하여 저온(100K)에서 얻어진 STM 영상은 위에서 두께가 2-9 ML로 서로 다른 높이를 가지는 Ag 박막 섬들을 보여준다. 각 개별 박막 섬들 위에서 STM 터널링 과정에서 들뜬 국소 플라즈몬이 붕괴하면서 방출되는 빛을 측정 분광하였다. 얻어진 광 스펙트럼은 대체로 그 모양이 거의 비슷하지만, 세기가 최대가 되는 피크 위치 혹은 세기의 중심 위치는 박막 두께에 따라 변하는 것으로 보인다. 2-7ML 두께의 Ag 박막 섬에서 층 수가 늘어날수록 (박막 두께가 두꺼워질수록) 광방출 스펙트럼의 피크 에너지가 낮아지는 것을 알 수 있다. 반면, 7 ML부터는 그 경향성이 바뀌면서 8-9 ML로 층 수가 늘어날수록 피크 에너지 역시 증가하는 것으로 보인다. Ag 박막 두께에 대한 피크 에너지 변화의 이러한 경향성은 Ag 박막 섬의 국소 플라즈몬 에너지의 박막 두께에 대한 의존성은 2-3 nm의 두께 방향으로 짧아진 퍼텐셜 벽에 의해 박막 섬 내부 전자들이 속박되기 때문으로 해석할 수 있다. 2-7 ML 두께에서 보이는 경향성, 즉 Ag 박막 섬에서 두께가 증가할수록 박막에 속박된 플라즈몬의 에너지가 감소하는 결과는 양자크기효과가 나노구조에서의 단일전자여기에서 뿐 만 아니라 금속 표면에서의 플라즈몬 여기와 같은 집단여기에서도 나타난다는 것을 보여준다. 7-9 ML 두께의 Ag 박막 섬의 경우, 스펙트럼의 피크에너지가 2 ~ 7ML의 경우와 반대로 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이는 양자크기효과에 의해 일반적으로 예상되는 에너지 변화와 다른 결과이다. 이렇게 단순하지 않은 플라즈몬 여기의 두께 의존성에 대한 올바른 해석을 위해서는 계산을 통하여 나오는 결과와 실험 결과를 비교할 필요가 있다. 따라서 본 실험 결과에를 해석할 수 있는 이론적 계산을 수행 중에 있다.

박막 섬의 두께 뿐 만 아니라 크기에 따른 양자크기효과를 조사하였다. 평균 측면 길이 7-20 nm로 서로 크기가 다른 2 ML의 Ag 박막 섬에 대해 결정한 광방출 스펙트럼의 피크에너지에서는 Ag 박막 섬의 크기 변화에 따른 경향성이 보이지 않는다. 이에 대한 원인을 파악하기 위한 실험 결과 약 2-3 nm로 탐침 끝의 크기보다 박막 섬의 크기가 훨씬 크기 때문으로 판단된다. 탐침 크기에 해당하는 영역의 탐침-표면 틈에 강하게 속박이 되는 국소 표면 플라즈몬의 특성 상 박막 섬의 크기에 따른 양자크기효과를 관찰하기 위해서는 탐침끝의 크기, 즉 측면길이 2-3 nm보다 작은 크기의 박막 섬의 성장이 요구된다는 것을 알아내었다. 이를 위해 여러가지 기판에서의 박막 섬 성장을 계속 시도하고 있다.

(출처 : 연구결과 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 8
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 8
• Ⅲ. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 10