금 나노클러스터로 전기전도성 정밀 제어

포스텍

박선아 포스텍 화학과 교수. 포스텍 제공.

국내 연구진이 금 나노클러스터 구조체 기반 전자소자의 전기전도도를 다양하게 조절하는 기술을 개발했다. 전자소자를 소형화하고 에너지 효율이 높은 전자기기 등에 활용 가능한 기술이다. 

포스텍은 박선아 화학과 교수 연구팀이 하누 하키넨 핀란드 위베스킬라대 교수 연구팀과 함께 금 나노클러스터 기반 구조체에서 금속 이온의 종류에 따라 전기전도도 및 밴드갭을 다양하게 조절하는 데 성공했다고 1일 밝혔다. 연구 결과는 '미국화학회저널(JACS)'에 게재됐다. 

나노클러스터는 수십 개의 원자가 모인 초소형 구조체다. 크기와 구조에 따라 전기적·광학적 특성이 달라진다. 금(Au) 기반 나노클러스터는 화학적·구조적으로 안정적이어서 전자소자에 적용했을 때 성능을 오래 유지할 수 있다. 자가조립을 통해 하나의 거대한 인공 결정과 같은 초격자(superlattice)를 형성할 수 있어 차세대 전자소재로 주목받고 있다.

나노클러스터 기반 초격자는 클러스터 간 간격과 배열 등을 원자 수준에서 정밀하게 제어하기가 어렵다. 연구팀은 나노클러스터의 표면에 있는 카르복실산(carboxylic acid)과 여러 금속 이온(Mg²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺) 사이의 상호작용을 활용해 문제를 해결했다. 금속 이온 종류에 따라 클러스터 간 거리를 조절하는 네 종류의 나노클러스터 기반 구조체(Au25-Mg, Au25-Co, Au25-Ni, Au25-Cu)를 합성하는 데 성공했다. 

연구팀은 ‘단결정 X-선 회절’ 실험을 통해 금속 이온의 종류에 따라 나노클러스터 사이의 거리가 달라진다는 사실을 원자 수준에서 확인했다. 특히 구리 이온(Cu²⁺)을 넣은 구조체(Au25-Cu)의 클러스터 간 거리가 가장 짧았다. 구리 이온 안의 전자가 전류가 흐르는 데 중요한 역할을 했기 때문이다. 그 결과 마그네슘 이온(Au25-Mg) 구조체에 비해 전기가 약 31배 더 잘 흘렀다. 

연구팀은 금속 이온을 바꾸는 방식으로 전기전도도뿐 아니라 빛의 색(에너지)에 따라 흡수 여부를 결정하는 밴드갭과 활성화 에너지까지 정밀하게 조절하는 데 성공했다.

컴퓨터로 물질의 전자 구조를 계산하는 '밀도 범함수 이론(DFT)'의 결과도 박 교수 연구팀의 결과를 뒷받침한다. 구리 이온을 넣은 구조에서 구리 이온의 전자들이 전자가 흘러가는 길을 잘 만들어 전기가 가장 잘 통하도록 도와준다는 사실이 확인됐다.

이번 연구는 나노클러스터 간 거리뿐 아니라 금속 이온을 바꿔 전자 구조까지 조절할 수 있음을 입증했다. 차세대 나노 전자소자와 전기 센서 개발 등 미래 전자소자 설계에 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다. 

박 교수는 “이번 연구는 나노클러스터 간 상호작용과 전자 구조 조절이 전자 전달 특성에 미치는 영향을 원자 수준에서 밝혀낸 드문 사례”라며 “나노클러스터의 전기적 특성을 이해하는 데 기여할 것”이라고 말했다.

<참고 자료> 
- doi.org/10.1021/jacs.5c06695

[정지영 기자 jjy2011@donga.com]