표면 플라즈몬 공명이 금속의 일함수를 바꾸는 실험적 발견

Abstract

금 나노입자를 증착한 탄소 나노튜브 소자의 광 전기적 특성 변화를 실험적으로 발견함으로써 표면 플라즈몬 공명 현상에 의해 금 나노입자의 일함수가 변화한다는 것을 확인하고 해석하였다. 실험에서 사용된 소자는 소스와 드레인이 동심원 구조로 되어 있는 두 개의 금 전극 사이에 약 15 µm 길이의 채널을 가지는 구조이다. 채널은 반도체성 탄소 나노튜브 네트워크와 그래핀 두 가지로 준비하였고, 채널 위에 약 10 nm 의 지름을 갖는 금 나노입자가 랜덤하게 증착되어 있다. 소자의 소스와 드레인 양단에 0 V 혹은 DC bias 를 가한 상태에서 다양한 파장을 가지는 광원에 On/Off 펄스를 주면서 소스와 드레인의 전류 응답을 측정하였다. 이를 통해 빛에 의한 영향이 금 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 현상에 의한 일함수 변조를 확인하였다. 실험적 관찰의 중요한 점을 요약하면 다음과 같다. 첫째, 전류가 빛의 On/Off 에서만 일시적으로 흐르며 이는 보통의 광전 효과와는 다르다. 둘째, 금 나노입자가 있는 탄소 나노튜브 소자에서는 매우 큰 과도 전류가 흐르는데, 이에 비해 그래핀 소자에서는 작은 과도 전류가 흐른다. 셋째, 전류를 시간에 대해 적분한 충전/방전 전하의 크기는 빛의 파장에 따라서 크게 달라지는데, 기존에 알려진 금 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 발생 정도와 일치한다. 넷째, 소스와 드레인의 전류는 단순한 충전/방전 전류가 아닌 단방향성 전류이다. 이같은 실험적 관찰로부터 소자의 광 전기적 응답이 단순한 광전 효과, 혹은 CMOS 이미지 센서 소자에서 발견되는 접합 충전/방전 효과가 아니라, 표면 플라즈몬 공명에 의한 일함수 변조로 해석할 수 있음을 보였다. 이러한 현상은 전기적 소자에서 처음으로 발견한 것이며, 표면 플라즈몬 공명에 의해서 변화하는 어떠한 효과를 감지하는 센서로 응용할 수 있다. 또한 본 실험에서 발견한 소스/드레인 루프를 통한 순환 전류 방향에 대해서는 이론적인 해석과 실험이 필요한 미래 연구 주제로 남겨둔다.