양자점(quantum dots) 내부에 감금된 전자의 특별한 에너지 상태들이 최초로 관찰되었다. 이번 업적은 이 나노 반도체 재료의 독특한 특성을 이용하여 기술적으로 응용하는데 도움이 될 전망이다.

양자점은 합성하기가 쉽고 그 특성이 단일 원자와 유사하기 때문에, 기술적으로 응용하는데 대단히 큰 잠재력을 갖고 있다고 일반적으로 여겨지고 있다. 그러나 이러한 특성들을 이용하기 위해서는, 과학자들은 먼저 양자점 내부에 포획된 전자들이 어떻게 에너지를 흡수하고 그 에너지를 다시 빛으로 방출하는지를 이해해야 한다. 양자점의 아주 작은 피라미드처럼 생긴 구조 내부에는 보통 하나 또는 두 개의 전자가 있다. 양자점 내부에서의 제한된 움직임 때문에 전자들은 특정한 에너지 수준들만을 점유할 수 있다. 또한 이러한 에너지 수준들은 반도체 재료의 성분과 나노피라미드의 크기에 의존한다.

HZDR(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf), IFW(Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden) 및 드레스덴공대(TU Dresden)의 과학자들은 주사 근접장 현미경을 이용함으로써 양자점 내부에 가둬진 전자들의 이 특별한 에너지 상태들을 관찰하였다. “이렇게 명확히 정의된 에너지 수준들은 예컨대 양자점 기반의 에너지 효율적인 레이저에 이용된다. 빛은 높은 에너지 수준에 있던 전자들이 낮은 에너지 수준으로 떨어질 때 발생한다. 이 두 수준 사이의 에너지 차이가 빛의 색을 결정한다” HZDR의 스테판 빈네를(Stephan Winnerl)은 말했다.
단일 양자점 내부의 에너지 수준 사이에서 일어나는 천이를 적외선 빛을 이용하여 성공적으로 조사한 것은 이번 연구진이 처음이다. 서로 다른 크기의 나노피라미드 내부의 전자들은 적외선 에너지에 대해 서로 다르게 반응하므로, 적외선 빛을 이용하면 단지 흐릿한 신호만을 얻는 것이 가능하다. 이런 이유 때문에, 하나의 양자점 내부에 제한된 전자들을 관찰하는 것은 중요하다.

이번 새 기술은 레이저 빛을 100 nm 미만의 두께를 가진 금속 팁에 비춘다. 그러면 금속 팁은 그 빛을 거울과 렌즈를 이용하는 전통적인 광학의 공간 분해능 한계인 빛의 파장보다 100배나 더 작게 평행하게 만든다. 이 평행한 빛을 하나의 피라미드에 정밀하게 집속시키면, 전자들에게 에너지가 제공되고 그 전자들은 높은 에너지 수준으로 들뜨게 된다. 이 과정에서 팁으로부터 산란된 적외선 빛을 관찰함으로써 에너지 전달이 측정될 수 있다. 이 기술은 충분히 예민하기 때문에 양자점 내부 전자들의 뚜렷한 나노 영상을 발생시킬 수 있었다.

“다음 목표는 더 낮은 온도에서 양자점 내부에 있는 전자들의 특성을 밝히는 것이다. 이러한 실험들로부터, 이러한 전자들의 제한된 특성에 대해서 훨씬 더 정확한 통찰을 얻는 것이 우리의 희망이다. 특히, 우리는 이 전자들이 결정격자의 진동과는 물론, 서로 상호작용을 하는 방식을 더 잘 이해할 수 있기를 바란다”고 빈네를은 말했다. 이번 연구는 ‘Nano Letters’에 발표되었다.

* 그림1 : HZDR에 있는 자유전자 레이저를 이용한 근접장 현미경. 위로부터 내려오는 현미경 팁의 측정을 정렬하기 위해 조정 레이저가 사용되었다. 그 아래에는 움직일 수 있는 시료대가 보인다.
* 그림2 : HZDR에 있는 2대의 자유전자 레이저