전자총 방출을 13,000배까지 증가시키는 다이아몬도이드 단일층

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-18

전자총은 미래형 무기처럼 보이지만, 연구 및 산업에 적용되는 주력 도구이다. 그들은 전자 현미경, 반도체 패터닝 장치, 입자 가속기 등의 분야에서 전자들을 방출한다. 현재, 스탠포드 대학(Stanford University)과 미 에너지부의 SLAC 국립 가속기 연구소(SLAC National Accelerator Laboratory)의 연구진은 다이아몬도이드(diamondoid)의 단일층을 적용함으로써 이런 전자 흐름이 날카로운 금 팁(tip)을 사용했을 때보다 13,000배까지 증가시킬 수 있다는 것을 증명했다. 이 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 게재되었고, 이런 장치의 성능을 증가시킬 수 있는 새로운 방법이 될 것이다. 이 연구결과는 원자 단위 정밀도를 가진 다른 유형의 전자 이미터를 디자인할 수 있는 새로운 길을 제공할 것이다. 다이아몬도이드는 탄소와 수소 원자로 만들어진 케이지(cage) 형태를 가진다. 그들은 매우 작은 다이아몬드로 구성되었고, 이것은 1캐럿의 수 조분의 1보다 더 적은 무게를 가지고 있다. 이런 작은 크기는 벌크 다이아몬드에 비해서 유용한 특성들을 가지게 한다. 이번 연구진은 다이아몬도이드 연구에서 세계 최고의 기술을 가지고 있다. 이 연구는 SIMES(Stanford Institute for Materials and Energy Sciences)에서 수행되었다. SIMES는 석유에서 다이아몬도이드를 추출하는 연구를 수행하고 있다. 2007년에, 이번 연구진은 금속 표면 위의 단일 다이아몬도이드 층이 매우 좁은 에너지 범위를 가진 매우 작은 빔 속에 전자들을 집속시킬 수 있다는 것을 증명했다. 최근에, 이번 연구진은 다이아몬도이드 코팅이 전자총의 방출을 향상시킬 수 있는지를 조사했다. 전자총의 성능을 증가시킬 수 있는 한 가지 방법은 팁을 실제로 날카롭게 만드는 것이다. 이것은 전자들의 생성을 더 쉽게 한다. 그러나 이런 날카로운 팁은 불안정하다. 심지어 매우 작은 요철이 그들의 성능에 영향을 끼칠 수 있다. 이번 연구진은 전자 방출을 향상시키는 화학물질로 이런 팁을 코팅함으로써 이런 문제를 해결했다. 그러나 공기 중에 노출될 때 폭발하는 문제가 발생할 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위해서, 이번 연구진은 전자총 팁을 대신해서 게르마늄 와이어의 매우 작은 나노기둥을 사용했다. 그들은 금으로 와이어를 코팅한 후에 다양한 크기의 다이아몬도이드로 코팅했다. 이번 연구진은 전자 방출을 시뮬레이션하기 위해서 나노와이어에 전압을 인가했을 때 4개의 케이지로 구성된 다이아몬도이드-코팅된 팁에서 최고의 결과를 도출했다. 이것은 금 팁보다 13,000배 더 많은 전자들을 방출했다. 추가적인 테스트와 계산 시뮬레이션은 이런 증가가 팁의 형상 또는 하부 금 표면 속의 변화 때문이 아니라는 것을 보여주었다. 발생된 전자들은 다이아몬도이드 분자들의 일부처럼 보인다. 아직 완전히 정확하지 않지만, 하부 표면에서 전자들을 끌어당기는 양 전하가 생성되고, 그들이 팁에서 방출되는 것을 더 쉽게 만든다. “대부분의 다른 분자들은 당신이 전자를 제거했다면 불안정하게 될 것”이라고 그는 말했다. “그러나 다이아몬도이드의 케이지 형태는 독특한 특성을 가지고 있기 때문에, 이것이 안정한 상태가 되게 하고, 이것은 이 프로세스가 제대로 작동하게 한다”고 그는 덧붙였다. 이 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 “Ultralow effective work function surfaces using diamondoid monolayers”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nnano.2015.277). 그림 1. 게르마늄 나노기둥은 금으로 코팅되고 그 후에 다양한 크기의 다이아몬도이드로 코팅되었다. 이번 연구진은 4 개의 케이지를 가진 다이아몬도이드 분자 기둥으로 코팅함으로써 최고의 결과를 얻었다. 이것은 13,000배까지 전자 방출을 증가시켰다. 그림 2. 이번 연구진은 전자 방출을 향상시키는 실험에서 전자총의 끝에 매우 작은 게르마늄 와이어 나노기둥을 사용했다. 이 이미지는 주사 전자 현미경으로 관찰되었다. 그림 3. 이 실험에서 사용된 다이아몬도이드 구조. noname015.bmp 2.bmp 3.bmp http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=42096.php