GIST 노도영 교수팀, 실리콘 표면에 나노구조 형성과정 규명
광주과학기술원(GIST·원장 선우중호) 신소재공학과·극한광응용기술 국가핵심연구센터(CELA· 센터장 노도영) 노도영 교수팀은 실리콘(111) 표면에 존재하는 원자계단들이 고온에서 자발적으로 모여 나노스케일의 일차원구조를 형성하는 과정을 실시간으로 관찰하고, 이를 설명하는 새로운 물리적 모델을 수립하였다. 본 연구진은 원자계단들이 고온 상태에서 균일하게 분포되어 있는 실리콘(111)표면이 온도를 낮추었을때 표면이 재구성(surface reconstruction)되어 원자계단들이 스피노달 분해 과정(spinodal decomposition)을 통하여 자발적으로 서로 모여 주기적인 나노구조를 이룬 후 지나감에 따라 점차적으로 성장하는 과정(coarsening process)을 방사광 X-선 산란기법을 이용하여 실시간으로 관측하였다.
이 연구결과는 물리학계의 권위있는 학술지인 피지컬 리뷰 레터 (Physical Review Letters지의 논문으로(4월 17일자 온라인판)에 게재됐다.
실리콘 표면에 형성되는 원자단위 (높이 약 0.3 nm)의 원자계단을 제어하여 나노구조를 자발적으로 형성시키는 방법은, 1차원 나노구조로 성장할 수 있는 템플레이트를 구성하는 핵심 나노기술로 주목을 받고 있었다. 더욱 중요한 것은 기초과학적 측면에서 원자계단들이 서로 뭉치는 구조 동역학을 규명하는 것인데, 그동안 스피노달 분해 후 성장과정을 총괄적으로 설명할 수 있는 실험이 전무하여 이론적으로도 설명이 되지 않고 있었다.
노도영 교수팀은 국가거대과학시설인 포항방사광가속기의 광주과학기술원 전용빔라인에서 ‘방사광 표면 X-선 회절기법’을 활용하여 초고진공 의 고온 상태에서도 원자계단들의 움직임을 직접적으로 측정하는데 성공하였다. 이번 연구결과로 스피노달 분리 후 초기에는 원자계단이 집단적으로 움직여 뭉치는 반면, 후기에는 단일 원자계단의 확산으로 나노구조가 형성됨을 규명하였다. 이러한 현상은 여러 성장온도에서 일어나는 과정을 통합적으로 (universal)설명할 수 있어 나노구조물을 컨트롤할 수 있다는데에 중요한 연구라 할 수 있다.
또한 이 연구는 극한광응용기술국가핵심연구센터(교육과학기술부 지원 국가핵심연구센터)에서 추구하는 원자 및 분자들의 실시간 거동을 관찰하여 동역학적 현상을 규명하는 시발점이 될 수 있다.
본 연구는 교육과학기술부 국가지정연구실사업(NRL) 및 국가핵심연구센터(NCRC) 사업의 지원을 받아 수행되었다.
*논문명: 비스듬한 실리콘 (111) 표면에서 스피노달 과정에 의해 분리된 나노구조의 성장 동역학(Coarsening kinetics of a spinodally decomposed vicinal Si(111) surface)
* 웹주소: http://link.aps.org/abstract/PRL/v102/e156103
웹사이트: http://www.gist.ac.kr
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