포스텍 포항가속기연구소는 X-선 자유 전자 레이저를 이용해 시료의 나노스케일 구조 정보뿐 아니라 원자 크기에서의 격자구조 정보를 얻을 수 있는 멀티플렉싱 장치 및 실험 방법을 개발했다고 22일 밝렸다.
연구팀은 이를 이용해 공간적으로 국한된 나노입자의 초고속 에너지 전달 과정을 원자 크기 수준에서 관측하는 데 성공했다.
이번 개발은 포항가속기연구소 김상수·남대웅 박사와 포스텍 물리학과 송창용 교수, 신재용 학생, 정철호 박사, 화학과 임영옥 박사 연구팀의 공동 연구를 통해 이뤄졌으며 나노분야 국제 학술지인 '나노 레터스'(Nano Letters)에 2월 1일자 게재됐다.
초고속 빛-물질의 상호작용을 이용하면 물질의 숨겨진 상(Phase)으로의 접근이 가능해진다. 이러한 과정을 유도하기 위해 동역학 반응 기작(Mechanism)에 대한 이해가 필수적이지만 현재 정립된 물리학 지식이 매우 부족한 상황이다. 특히 고체 시료 내의 초고속 에너지 전달 과정을 설명할 수 있는 모델은 아직 부재한 상황이다.
이러한 난제 해결의 방법 중 하나는 전자와 이온의 협력 반응이 발생하는 펨토초(fs, 1000조분의 1초) 수준의 시간 분해능와 옹스트롬(Å,) 수준의 공간 분해능을 가지고 비가역 과정을 관측하는 것이다.
연구팀은 멀티플렉싱 초고속 시분해 실험 장치를 성공적으로 개발해 포항가속기연구소 X-선 자유전자레이저를 이용한 실험을 진행했다. 이 실험 장치는 시료의 전자밀도 분포에 관련한 정보 뿐 아니라 결정 격자 정보를 동시에 측정할 수 있게 하는 특징을 가진다.
시분해 실험은 적외선 펨토초 레이저로 시료 내 전자를 광여기(Photoexcitation) 시킨 후 자유전자 X-선을 이용하여 변화하는 시료의 상태를 회절 신호를 얻어 측정하는 방법으로 진행됐으며, 시료의 변화 과정을 수백 펨토초 수준의 분해능으로 관측했다. 이를 통해 연구팀은 초고속 에너지 전달 과정 관측에 성공했으며 광여기에 따른 용융 및 증발을 일관성 있게 설명할 수 있는 모델을 제시했다.
연구팀은 "초고속 에너지 전달 과정을 설명하는 포괄적인 모델을 제안했으며, 이는 광유도(Photoinduced) 초고속 용융 및 증발과 같은 물리적 현상의 이해뿐 아니라 초고속 광유도 반응을 이용해 고체의 특성을 활용하기 위한 기준점을 제공할 수 있을 것"이라고 설명했다.
또한 "향후 반도체, 배터리 물질 등 다양한 나노 소재의 비평형 상태에서의 에너지 저장 및 전달 과정에서 나타나는 구조 및 물성 분석에도 활용될 수 있다"고 전했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 및 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 가속기 핵심기술 개발 사업, 양자기반 나노소재기술개발 공모사업, 기본연구의 지원을 받아 수행됐다.
헬로티 이창현 기자 |
