전자들의 상호작용을 관찰할 수 있는 새로운 방법

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-27

다체 효과(Many-body effect)는 단일 분자의 전기적 특성들을 이해하는데 중요하다. 그래서 핀란드의 알토 대학(Aalto University)과 스위스의 취리히 대학(University of Zurich)의 연구진은 전자들이 코발트 프탈로시아닌(cobalt phthalocyanine, CoPC)에서 서로 어떻게 상호작용하는지를 직접 관찰하는데 성공했다. 이 연구는 유기 재료로 더 나은 광전자장치를 만드는데 도움을 줄 수 있을 것이다. “전자-전자 상호작용을 초래하는 다체 효과는 일반적인 해석에서는 무시된다”고 이 연구를 이끌었던 알토 대학(Aalto University)의 Peter Liljeroth가 말했다. “전자-전자 상호작용은 중요한데, 이것은 코발트 프탈로시아닌의 경우에 전도성을 변화시킨다. 재료의 전도성은 장치를 만들었을 때 이것이 얼마나 잘 작동하는지와 직접적으로 관련된다”고 Liljeroth는 덧붙였다.  다체 효과들은 전자들과 같은 수많은 상호작용 입자들의 집단적인 반응으로 발생하고, 이러한 시스템의 특성들은 단일 또는 비-상호작용 입자들을 고려함으로써 이해될 수 있는 것이 아니다. 이런 효과들이 분자 시스템 속에서 매우 자주 관찰되지 않는다는 문제점이 존재한다. 그래서 실험적으로 조사하는 것이 어렵다. 이번 연구진은 주사 터널링 현미경으로 이런 샘플들을 조사했다. 이 기술은 원자 크기로 샘플 표면의 구조적 및 전기적 특성을 측정하기 위해서 날카로운 탐침 팁과 전도성 샘플 간의 매우 작은 전류를 전달함으로써 작동한다. “우리는 표면 위에 단일 CoPC 분자를 통과하는 전류를 측정하기 위해서 STM을 사용했다”고 Liljeroth가 설명했다. “전자들이 분자 속에 주입될 때, 그들은 오비탈을 점유하는데, 이것은 양자 기계적 파동 함수의 에너지와 형상을 정의한다. 우리는 인가된 전압의 함수로서 분자를 통과하는 전류를 기록함으로써 이런 오비탈의 에너지를 측정할 수 있었다. 마지막으로, 우리는 전류가 분자에 대한 특정 바이어스 전압에서 얼마나 변하는지를 측정함으로써 실제-공간 속에서 그들의 이미지를 측정할 수 있었다”고 Liljeroth가 설명했다.  놀랍게도, 이번 연구진은 그들의 데이터가 기존 해석과 일치하지 않는다는 것을 발견했다. “이것은 단일 분자들의 국부적인 상태 밀도의 측정이 단일-입자 분자 오비탈의 측면에서 주로 해석되기 때문일 것이다. 그리고 이런 이미지는 코발트 프탈로시아닌 분자의 서로 다른 전하 상태의 터널링 스펙트럼 속의 공명을 정량적으로 설명할 수 없다”고 Liljeroth가 말했다.  “우리는 기록된 터널링 전류 속에서 몇 가지 추가적인 특성들을 조사했다”고 Fabian Schulz가 말했다. “실험 결과들을 이해하는 핵심은 이러한 데이터를 해석하는데 주로 무시되는 전자-전자 상호작용의 형태”라고 Ari Harju가 말했다. 이번 연구팀은 전산 기술을 사용해서 이러한 전자-전자 상호작용을 포함하는 CoPC의 전기적 특성들을 계산했다. 이번 연구진은 이론적 예측으로 그들의 실험들을 달성할 수 있었다. 이 연구결과는 단일 분자 속의 다체 전환의 최초의 실험적인 검증이다. “우리의 연구는 예비 단계이고, 이 연구의 목표는 분자들의 전기적인 특성들을 더 잘 이해하는 것”이라고 그는 말했다. “유기 재료 속의 이러한 전기적 효과들은 유기 광발광 다이오드, 유기 전계-효과 트랜지스터, 태양전지 등과 같은 광전자장치 분야에 중요할 것이다. 우리는 단일 CoPC 분자들의 충전 반응이 CoPC 기저 상태에서 발생하는 다양한 다체 여기로서 이해될 수 있다는 것을 증명했다”고 그는 덧붙였다. “이런 연구결과들은 이런 재료를 통해서 전하 전달을 해석할 때 다체 효과를 고려하는 것이 얼마나 중요한지를 증명한다. 향후 연구는 이런 효과들이 특별하게 강한 분자들을 발견하는 것이 될 것”이라고 그는 밝혔다.  이 연구는 저널 Nature Physics에 “Many-body transitions in a single molecule visualized by scanning tunnelling microscopy”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nphys3212). 그림 1. 표면 위의 CoPC 분자들. 그림 2. 표면 위의 CoPC 분자의 STM 이미지. pic1.jpg pic2.jpg http://nanotechweb.org/cws/article/tech/59957