한국교원대 이시우 교수팀, 고체-액체 계면 핫전자 거동 세계 최초 규명

나노과학 분야 최고 학술지 'Nano Letters'에 게재

한국교원대 이시우 교수(왼쪽)과 카이스트 박정영 교수. /뉴스1

(청주=뉴스1) 이성기 기자 = 한국교원대학교는 화학교육과 이시우 교수팀이 KAIST 화학과 박정영 교수팀과 함께 고체-액체 계면에서의 핫전자 거동을 세계 최초로 실험적으로 관찰하는데 성공했다고 20일 밝혔다.

핫전자(hot electron)는 높은 에너지를 가지는 전자로 일반적으로 펨토초(1000조분의 1초) 동안 1~3eV의 에너지를 방출하며, 수명이 굉장히 짧아 직접 검출하는데 어려움이 있다.

연구진은 촉매에서의 표면화학 반응에 의해 여기(勵起·excite) 되는 핫전자를 금속-반도체 쇼트키(Schottky) 나노소자를 이용해 실시간으로 검출했다.

이는 금속-반도체 소자에서의 쇼트키 배리어를 이용하는 것인데, 이 퍼텐셜 배리어를 이용해 높은 에너지를 가지는 전자만을 선택적으로 직접 전류로(chemicurrent) 검출할 수 있었다.

특히 기존에는 불가능했던 액상 반응에서의 핫전자의 이동(hot electron transfer)을 직접 검출해 기상 반응에서의 결과와 비교하는 것에 성공했고, 고체-기체 계면에 비해 고체-액체 계면에서 핫전자의 이동이 100배가량 증가한다는 점을 처음으로 규명했다.

한국교원대학교 이시우 교수는 "이번 연구성과는 액상 반응에서의 핫전자의 여기가 증폭된다는 점을 실험적으로 직접 밝혀 표면화학 반응에서의 에너지 변환 메커니즘을 규명할 수 있는데 큰 의의가 있다"라고 했다.

KAIST 박정영 교수는 "기존에는 불가능에 가까웠던 고체-액체 계면에서의 핫전자 거동 관찰은 표면과학 분야의 큰 진전이며 추후 촉매전자학의 개척을 위한 발판이 될 것"이라며 "이 결과는 차세대 에너지 소자, 반도체 소자개발 및 핫전자 기반 광전기화학 촉매 등의 응용연구를 가속화할 것"이라고 했다.

이 연구결과는 'How Hot Electron Generation at the Solid–Liquid Interface Is Different from the Solid–Gas Interface' 제목으로 3월17일 자 미국화학회(American Chemical Society)가 출판하는 나노과학 분야 최고 학술지 'Nano Letters'에 게재됐다. 1저자는 한국교원대학교 이시우 교수, KAIST 박정영 교수가 교신 저자이다.

sklee@news1.kr