이지훈 교수 연구팀, 희토류 금속 메타표면 기반의 플라즈모닉 백금 나노 합금 구조물 ‘희생층 원자 승화 성장법’ 개발

- JCR Q1 랭킹 과학전문지 Journal of Physical Chemistry C저널 커버 논문 선정 -

이지훈 교수 연구팀(전자공학과)은 전자공학과 순다 박사과정 연구원(제 1저자)과 함께 다양한 메타표면 (meta-surface) 기반의 플라즈모닉Pt (platinum, 백금) 나노 구조물 (nanostructures)의 사파이어 (Al2O3) 기판상에서 열탈수 현상 성장 매개 변수의 체계적인 관리와 희생층 원자 승화 성장법 및 표면 자유에너지 최소화 효과를 이용하여, 다양한 형태의 플라즈모닉Pt 나노 합금구조물을 성장할 수 있는, ‘희생층 원자 승화 나노구조물 성장법’을 개발하는데 성공했다. 백금(Pt)은 매우 높은 융점(1768 ° C)과 높은 표면 에너지를 가지고 있어, 효율적인 원자 표면 전이가 까다로워, 메타표면 기반의 효율적인 플라즈모닉 나노구조물의 생성에 애로점이 있었다. In은 매우 낮은 융점 (156.6 ° C)과 낮은 표면 에너지를 가지는데, In 원자는 상대적으로 낮은 온도에서 활성화 되어 확산되기 시작하며, 이것은 계면에서 Pt 층으로 통합되어 상호 확산 과정을 일으킬 수 있다. 이지훈 교수 연구팀은 본 연구를 통해 희토류 금속 메타표면 플라즈모닉 백금(Pt) 나노합금 구조물의 사파이어 기판상에서 초기 성장단계 비밀을 밝혀내, 백금 원자의 상호 및 표면 전이 과정을 규명하였으며, 메타표면 기반의 나노 합급 구조물의 효율적인 성장 및 제어를 가능케 하여, 관련 산업 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다고 밝혔다.

희토류 (rare earth elements) 금속 (i.e. 플래티늄, 인듐, 팔라듐, 금, 은 등) 메타표면 기반의 나노 합금 구조물은 우수한 광전자적 특성을 가지는 나노 물질로서, 플라즈모닉 (Plasmonic) 효과를 이용하여 다양한 광전자 소자의 효율향상, 특성 최적화 및 감도 향상 등의 우수성을 나타내고 있어, 각종 광전자 소자 및 센서 등의 분야에서 널리 사용 되고 있다. 메타표면 기반의 희귀류 금속 나노 합금 구조물은, 디스플레이, LED, 쏠라쎌, 각종 센서, 에너지 추출 응용 (energy-harvesting applications), 전력전자 소자 (power electronic devices) 및 압전기 등 다양한 분야에 응용이 가능하다. 다양한 용도의 원하는 광전자 소자 응용 및 효율 향상, 특성 최적화 및 감도 향상 등을 위해서는 다양한 환경에서의 희토류 금속 메타표면 기반의 나노 합금 구조물의 원자 단위 제어, 원자의 상호 및 표면 전이 과정 규명 및 나노 합금 구조물 성장에 따른 크기, 형태, 밀도 등에 대한 정밀한 제어 특성이 요구된다.

연구팀은 희토류 금속 메타표면 (meta-surface) 기반의 플라즈모닉 Pt/In 원자 증착 및 나노 구조물의 사파이어 기판상에 성장 난제를 극복하기 위하여 펄스 레이저 증착법에 의해 진공 플라즈마 이온 코팅 챔버하에서 In/Pt 원자를 자발 형성하는 방법에 있어서, 열탈수 현상 성장 매개 변수의 체계적인 관리와 표면 자유에너지 최소화의 조합 효과를 이용하였으며, 희생층 원자 승화 나노구조물 성장법’을 개발하였으며, 사파이어 기판상 In/Pt 원자 및 나노 합급구조물 성장 제어법을 제안하고 실험적으로 증명 하였다.

* 사진 설명: (Journal of Physical Chemistry C저널 표지) ‘희생층 원자 승화 나노구조물 성장법’을 이용한 향상된 플라즈모닉 성능을 나타내는 백금 나노 구조물의 생성.

이번 연구의 연구진은Sundar Kunwar (박사과정, 광운대 / 제 1저자), Puran Pandey (박사과정, 광운대), Mao Sui (박사과정, 광운대), Sanchaya Pandit (박사과정, 광운대) and Jihoon Lee (교수, 광운대 - 교신저자)이며, 우리 대학 단독 연구로 진행 되었다. 순다 쿤와 (Sundar Kunwar) 학생은 2015년 광운대 전자과 석사과정으로 입학하였으며, 현재 4년차 박사과정 연구원이다. 현재까지 Nano-Micro Letters (IF: 7.381)외 Q1저널의 제1 저자로 10여편의 논문을 출판하였으며, 공동저자로도 15편이상의 논문을 출판하였다. 저널커버도 5편 출판하는 등 아주 우수한 실적을 이뤄내고 있다. 박사학위 취득후, 결혼도 하고, 우수한 기관에서 계속 연구를 이어가고 싶다는 멋진 포부를 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 중점연구소 및 일반연구자 지원사업과 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 Journal of Physical Chemistry C (IF: 4.484) 2019년 02월자 온라인 판에 저널 커버로 선정되었고, “Plasmonic Pt Nanocrystals by Using a Sacrificial In Component via the Enhanced Dewetting on Sapphire (0001): Improvement on Morphological and Localized Surface Plasmon Resonance Properties”의 제목으로 게재되었다. (JCR카테고리 랭킹: Q1, MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY)