레이저 광에 의해 실리콘 결정 중에서 여기 된 전자 운동의 실시간 관측에 성공

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-17

국립 대학 법인 츠쿠바 대학 수리 물질계의 연구팀은 뮌헨 대학교, 캘리포니아 대학교 버클리 로렌스 버클리 국립 연구소와의 공동 연구를 통해 반도체에서 전자가 빛에 의해 여기하는 모습을 실시간으로 관측하는데 세계 최초로 성공했다. 가장 기본적인 반도체인 실리콘의 결정에 매우 짧은 레이저 광을 조사하여 전자가 밴드 갭을 넘어 얼마나 빨리 여기할 것인지를 아토초 분광법(아토는 10의 -18승)을 이용하여 관찰한 것이다. 이 연구 성과는 2014년 12월 12일 미국 과학 잡지 "사이언스"에서 공개되었다. 반도체 물질 중의 전자는 평소에는 원자에 묶여 있어 움직이거나 전류에 기여할 수 없다. 그러나, 반도체에 빛이 조사되면 일부 전자가 빛 에너지를 흡수하고 속박에서 해방되어(밴드 갭을 넘어) 물질 속을 이동할 수 있다. 이렇게 자유롭게 움직일 수 있는 캐리어 전자에 의해 반도체는 전도성을 가지며, 전압을 가하면 전류가 흐르게 되는 것이다. 이 성질을 이용하면, 일렉트로닉스의 중심 소자인 트랜지스터처럼 빛이 조사될 때만 전류가 흐르는 스위치로 작동할 수 있게 된다. 빛에 의한 전도성의 변화는 100년 전부터 알려져 있었지만, 너무 빨리 일어나 그 변화의 모습을 직접 관측할 수가 없었다. 츠쿠바 대학, 루트비히 막시밀리안 대학교 뮌헨, 버클리 캘리포니아대, 로렌스 버클리 국립 연구소의 국제 연구팀은 반도체 중 전자의 여기 과정을 알아보기 위해 카메라의 플래시와 유사한 순간적이고 강렬한 빛을 사용한 "스톱 워치" 기술을 이용했다. 우선, 레이저에서 발생한 가시 광선의 매우 짧고 강한 펄스광을 실리콘 결정에 조사해, 전자의 여기를 일으킨다. 이어 더 짧은 수십 아토 세컨드의 X선 펄스를 조사하고, 처음의 레이저 펄스광에 의해 전자가 진동하는 과정의 스냅 샷을 촬영했다. 기존에 빛이 조사된 반도체에서는 서로 다른 시간 스케일에서 일어나는 2개의 현상이 있다고 생각되어 왔다. 처음에 일어나는 것은 전자가 빛 에너지를 흡수해 여기하는 과정이다. 이 과정은 너무 빨리 일어나 원자는 움직일 수 없다. 본 실험에서 전자의 여기에 의한 실리콘의 밴드 갭이 빛의 조사 후 450 아토 세컨드 이하의 매우 짧은 시간에 변화하는 것을 알 수 있었다. 그 후 일어나는 것은 전자가 진동함에 따라 원자가 재배치하는 과정에서 이를 통해 빛 에너지의 일부가 열로 바뀐다. 본 실험에서는 이 과정이 50~70펨토 초(펨토는 10의 -15승) 시간에 일어나는 것이 관측되었다. 이처럼 2개 과정을 명료하게 구별해 측정할 수 있게 되었다. 실험에서는 나노 미터의 미소한 세계에서 전자가 어떻게 움직이고 있는지를 직접 관측할 수 없다. 전자가 여기되는 메커니즘을 이해하려면 컴퓨터에 의한 시뮬레이션이 유효하다. 쓰쿠바 대학 수리 물질계/계산 과학 연구 센터와 대학원 수리 재료 과학 연구과의 연구그룹은 슈퍼 컴퓨터를 이용한 제1원리 계산에 의한 시뮬레이션에서 레이저 펄스광에 의해 전자가 진동하는 모습을 시시각각 확인, 실험에서 볼 수 있는 여기 프로세스의 특징을 재현하는데 성공했다. 그리고, 전자의 여기가 양자 세계에서 보편적으로 보이는 현상인 양자 터널 과정에서 일어나고 있다는 것을 확인했다. 그림1은 전자의 밀도 분포가 빛의 조사 중, 조사 후에, 어떻게 변화하는지를 계산한 결과이다. 위 실험과 컴퓨터 시뮬레이션으로 가장 기본적인 반도체인 실리콘에서 빛의 조사에 의해 매우 짧은 시간에 전자가 밴드 갭을 넘어 여기되는 모습을 처음으로 공개했다. 이번 연구의 광 실험 기술은 지금까지는 너무 빨라 측정할 수 없었던 고체 물질에서 전자의 운동을 직접 촬영하는 것이 가능하게 되었다. 또한, 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 이용하여 나노 미터 크기의 공간 영역에서 일어나는 고체 물질에서 전자의 운동을 확인할 수 있었다. 첨단 광학 과학 및 계산 과학이 협력하여 물질 중에서 일어나는 여러가지 초고속 현상을 해명 해 나갈 수 있게 될 것으로 기대된다. [논문정보] M. Schultze, Krupa Ramasesha, CD Pemmaraju, SA Sato, D. Whitmore, A. Gandman, James S. Prell, L. J. Borja, D. Prendergast, K. Yabana, Daniel M. Neumark, and Stephen R. Leone,"Attosecond band gap dynamics in Silicon", Science, 12/12/2014, DOI:10.1126/science.1260311 20141212104522.png http://www.tsukuba.ac.jp/wp-content/uploads/65c5ee3a6b236b8ffdcc2a5b3ea918be.pdf