[굿모닝충청 권성하 기자] KAIST 전기및전자공학부 장민석 교수 연구팀이 나노층 구조에 1000배 넘게 응축된 전자기파의 거동을 관측하는데 성공했다. 분자 검출 분야 및 전기광학소자 분야에 응용될 기술로 주목된다.

2일 KAIST는 연구팀이 나노 물질 그래핀의 자유 전자들이 전자기파와 결합해 집단으로 진동하는 현상인 '그래핀 플라즈몬'을 이용해 나노층 구조에 1000배 넘게 응축된 중적외선 파동 이미지를 최초로 얻어냈다고 밝혔다.

연구팀은 그래핀-유전체-금속판 구조에서 그래핀의 전하들이 금속판에 영상 전하(image charge)를 만들고, 빛의 전기장에 의해 그래핀의 전자들이 힘을 받아 진동하면 금속에 있는 영상 전하도 잇따라 진동한다는 점에 주목했다.

새로운 형태의 그래핀-유전체-금속판에서의 집단적인 전자 진동 모드가 '어쿠스틱' 그래핀 플라즈몬(Acoustic Graphene Plasmon, 이하 AGP)이다.

문제는 AGP가 광학적 파동을 수 나노미터(㎚) 정도의 얇은 구조에 응집시키기 때문에 외부로 새어 나오는 전자기장의 세기가 매우 약하다는 점이다.

연구팀은 이러한 한계를 극복한 새로운 실험 기법과 나노 공정 방법론을 제안했다.

KAIST 전기및전자공학부 장민석 교수와 메나브데 세르게이(Sergey Menabde) 박사후 연구원은 민감도가 매우 높은 산란형 주사 근접장 광학현미경(s-SNOM)을 이용해 나노미터 단위의 도파로를 따라 진동하는 AGP를 세계 최초로 직접적으로 검출했고, 중적외선이 1000배 넘게 응축된 현상을 시각화했다.

해당 나노 구조들은 미국의 미네소타 대학(University of Minnesota)의 전자및컴퓨터공학부의 오상현 교수팀이 제작했으며, 그래핀은 성균관대학교의 IBS 나노구조물리연구단(이하 CINAP) 이영희 연구단장팀이 합성했다.

이번 연구 결과는 AGP가 중적외선 영역에서 작동하는 다른 그래핀 기반의 메타 표면, 광학적 스위치, 다양한 광전류 장치 등을 대체할 수 있을 것이라는 희망을 제시했다.

장민석 교수는 "이번 연구를 통해 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬의 초고도로 응축된 전자기장을 근접장 측정을 통해 관측할 수 있었다"며 "앞으로 강한 물질-빛 상호작용이 필요한 다른 상황에서도 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬을 이용한 연구가 활발해지기를 기대한다"고 말했다.

한편, 메나브데 세르게이 박사와 이인호 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터 및 한국연구재단(NRF), 미국의 National Science Foundation(NSF), 삼성 글로벌 공동연구 프로그램(GRO), 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 진행됐고, 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스' 2021년 2월19일자에 게재됐다.

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