물리학과

논문개요

연구진은 매우 작은 나노미터 크기의 공간에서 전자가 장벽을 통과하는 양자 터널링 현상을 기존보다 훨씬 낮은 테라헤르츠(THz) 전기장에서 발생시키는 방법을 개발했다. 빛이나 테라헤르츠파를 이용한 양자 터널링은 전자를 매우 빠른 시간 규모로 제어할 수 있어 초고속 전자·광학 소자에 활용될 가능성이 크다. 하지만 기존 장치는 터널링을 일으키기 위해 강한 전기장이 필요했고, 이 과정에서 발생하는 줄열(Joule heating) 때문에 소자가 손상되거나 안정적으로 반복 작동하기 어렵다는 문제가 있었다.

연구진은 이를 해결하기 위해 두 금속 사이의 수 나노미터 간격에 이산화티타늄(TiO₂)을 넣은 금속-산화물-금속 나노갭을 제작했다. TiO₂는 기존에 많이 사용된 산화알루미늄(Al₂O₃)보다 에너지 장벽, 즉 쇼트키 장벽이 낮기 때문에 전자가 상대적으로 쉽게 장벽을 뚫고 지나갈 수 있다. 실제 실험에서는 TiO₂ 나노갭에서 약 13 kV/cm의 입사 테라헤르츠 전기장부터 Fowler–Nordheim 양자 터널링이 시작됐다. 이는 기존 Al₂O₃ 기반 구조보다 필요한 전기장이 약 4배 낮은 수준이다.

또한 입사 전기장을 높였을 때 나노갭 내부에서는 전기장이 크게 증폭됐으며, 이를 이용해 테라헤르츠파의 투과율을 최대 약 60%까지 조절할 수 있었다. 즉, 전자의 터널링 여부를 이용해 테라헤르츠 신호를 크게 변화시킬 수 있음을 보여준 것이다. 실험 결과는 이론적 계산과도 잘 일치해 이러한 변화가 양자 터널링에서 비롯된다는 점을 확인했다.

특히 이번 연구에서는 단순히 에너지 장벽의 높이뿐 아니라 소재가 열을 얼마나 잘 방출하는지도 소자의 안정성을 결정하는 중요한 요소라는 사실을 확인했다. TiO₂는 낮은 터널링 장벽과 함께 상대적으로 높은 열전도성을 가지고 있어 발생한 열을 주변 금속으로 효율적으로 전달한다. 그 결과 소자는 1000회 이상의 터널링 ON/OFF 반복 실험에서도 안정적으로 작동했다.

이번 연구는 적은 에너지로도 빠르고 안정적으로 작동하는 테라헤르츠 양자 플라즈모닉 소자를 구현할 수 있는 방법을 제시했다는 데 의미가 있다. 향후 초고속 광전자 소자뿐 아니라 고감도 테라헤르츠 검출기, 신호 변조기, 정류 소자, 에너지 수확 및 무선 전력전송 기술 등에 활용될 가능성이 있다.

원문링크 : https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12360