금 나노입자 체인을 이용하여 광을 나노크기로 구속

프랑스의 CEMES-CNRS 연구진은 싱가포르와 영국 브리스톨대학 연구진과 공동으로 결정질 금나노입자를 길게 체인 형태로 연결하여 광 에너지를 전달하는 새로운 전송수단으로 활용하는 데 성공했다. 광 에너지는 이렇게 길게 연결된 나노입자 체인을 통해서 효과적으로 전송될 수 있다. 이번 연구는 저널 Nature Materials에 "Multimodal plasmonics in fused colloidal networks"라는 제목으로 게재되었다.

광(光)은 정보를 전송하는 수단으로 사용될 수 있다. 정보 전송은 광섬유를 통해서 이루어지며 전자소재를 대체하는 새로운 수단으로 많은 주목을 받고 있다. 최근 들어 광을 이용하여 정보를 전달하는 비율은 점점 더 증가하고 있다. 광을 이용하면 전기 신호 전송 시 발생하는 열 발생으로 인한 에너지 손실을 최소화할 수 있다. 그러나 여기에는 여러 해결해야만 하는 과제들이 남아있다. 특별히 전송수단을 소형화하는 것이 중요하다. 광 섬유는 광을 마이크로미터 이하로 구속하는 것이 매우 어렵다.

전자들은 금속을 통해 자유롭게 이동할 수 있다. 때때로 빛의 효과로 인해서 표면을 따라 공진하는 경우가 발생하기도 한다. 금이나 은 같은 귀금속에서는 이러한 현상이 자주 발생한다. 이러한 집합적인 진동의 특성은 플라즈몬이라고 알려져 있으며 과거 20여 년간 광 에너지를 마이크로미터 이하 수준으로 구속하기 위한 방법으로 연구되어왔다. 광자를 통해 전달된 에너지를 전자로 이동시키면 광 섬유보다 더 작은 구조체로 정보를 전송하는 것이 가능하게 된다. 이러한 광 구속을 가능하게 위해서 현재 플라즈모닉2라는 기술로 나노결정체의 광학적 특성에 관한 연구가 이루어지고 있다. 부드러운 결정 표면은 전자들이 진동으로 산란되는 것을 억제하여 에너지 손실을 줄여준다. 이러한 나노입자의 특성 연구를 통해서 나노 크기의 폭을 가진 긴 전송관으로 정보를 전달하는 것을 가능케 할 수 있다.

연구진은 10 나노미터 지름을 가진 금 나노입자를 길게 체인형태로 합성하는 새로운 기술을 소개하였다. 특정한 진동을 발생시키는 플라즈몬은 새로운 효과적인 정보 전달수단이 될 수 있다는 것을 보여주고 있다. 그러나 에너지는 두 나노입자 사이의 통로를 통해서 손실이 된다. 이러한 특성은 특정한 부분에만 활용될 수 있으며 국부적 열 소스를 필요로 한다. 특별히 장 거리 전송 등에는 불가능하게 적합하지 않다.

연구진은 이번에 나노 비드 휴즈를 만들었다. 에너지 전자빔으로 나노 비드에 초점을 맞추어 연속적인 나노 결정체를 만들었다. 연구진은 에너지 손실이 줄어드는 것과 플라즈몬이 매우 긴거리를 거쳐서 자유 진동한다는 것을 확인했다. 이러한 비드 스트링은 나노미터의 폭으로 4000나노미터까지 연결된다.

전자 진동은 나노입자 체인의 표면에서 관찰되었다. 플라즈몬 움직임의 여러 종류는 전자에너지손실현미경(electron energy-loss spectroscopy, EELS)이라는 현미경분석을 통해서 확인되었다. EELS는 매우 정교한 공간 해상도를 가지고 있어서 플라즈몬의 거동에 대한 새로운 이론적인 계산 모델을 만들어내는 데 매우 적합하다. 이러한 모델을 기반으로 하는 시뮬레이션은 실험결과와 매우 정확하게 일치한다는 것을 보여주고 있다. 이번 연구는 브리스톨과 싱가포르 연구진과의 오랜 공동 연구 결과이다. 이번 기술은 텔레통신, 광전지 등을 비롯하여 센서 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 금 나노입자 체인을 이용하여 광을 나노크기로 구속