전체 반도체 산업계는 실리콘 안의 전자 특성에 기반한 기술에 의존하고 있다. 실리콘 안의 자유 전자들은 트랜지스터를 통해 이용되며 우리에게 매우 중요한 디지털 정보를 전달한다. 이제 캘리포니아 버클리 대학의 물리학자들과 화학자들이 주축이 된 국제 공동 연구진은 처음으로 극도로 짧은 아토초 펄스의 소프트 X-선 광을 이용하여 순간적인 이벤트의 포착 사진을 찍는데 성공하였다.
이전의 펨토초 레이저는 밴드갭을 가로질러 전도 전자 영역으로 지나가는 실리콘 원자의 가전자대 껍질에서의 전자를 관측할 수 없었다. 이제 새로운 실험을 통하여 이런 전자 점프가 450아토초 이하의 시간이 걸린다는 것을 밝혀내었다. 비록 이런 여기 단계가 전통적인 실험에 비해서 너무 빠르지만 이들의 새로운 기술은 이런 프로세스의 연속적인 단계를 보여주는 영상으로 구성될 수 있는 각각의 순간 포착 사진 기록을 가능하게 해주었다고 UC 버클리 대학의 Stephen Leone 교수는 말하였다.
그는 빛이 특정한 물질을 전도성으로 만들 수 있다는 발견이 지난 지 100년이 넘었다고 말하였다. 이런 천이의 첫 번째 영상은 UC 버클리 대학의 아토초 물리 실험실에서 개발된 아토초 극자외선 분광기의 도움으로 실리콘 밴드갭을 가로질러 여기된 전자들을 관측하여 만들어졌다. 반도체 물질에서, 전자들은 초기에 결정을 형성하고 있는 각 원자들의 주위에 국재화되었다. 따라서 전자들은 움직일 수가 없기 때문에 전류를 만들어 내지 못한다.
빛이 이런 원자들에 충돌하거나 전압이 인가되면, 전자들의 일부가 에너지를 흡수하고 여기된다. 이렇게 여기된 전자들은 자유롭게 움직일 수 있다. 국재된 전자들은 양자 점프를 통하여 전도대로 이동한다. 이런 움직이는 전자들은 반도체를 전도성 물질로 변환시키며 따라서 전압이 걸리면 전류를 흐르게 한다. 이런 거동으로 공학자들은 실리콘을 트랜지스터 제작에 사용한다. 트랜지스터는 디지털 전자기술의 기반이다. 연구자들은 아토초 극자외선 분광기를 이용하여 전자의 천이를 관측할 수 있다.
연구진은 실리콘 결정을 레이저 소스에서 방출된 가시 광선에 노출시켰다. 그 다음 수십 아토초의 X-선 펄스를 인가하여 레이저 펄스에 의해서 발생된 여기 프로세스의 진행을 순간 포착할 수 있었다. 실험 데이터 분석은 일련의 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 이루어졌다. 시뮬레이션은 여기 프로세스와 X-선 펄스의 실리콘 결정과의 상호작용을 모델링하였다.
반도체와 빛의 여기는 전통적으로 두 개의 독립된 이벤트를 포함하는 프로세스로 간주되었다. 첫째, 전자들은 빛을 흡수하고 여기된다. 그 후, 결정 안에서 각각의 원자로 이루어진 격자는 전자들의 재배치에 반응하여 재정렬하여 흡수된 에너지의 일부를 열로 바꾼다. 이 열은 포논이라고 불리는 진동파에 의해서 운반된다. 그들의 데이터 해석을 통하여, 연구진은 이런 가장이 맞다는 분명한 증거를 발견하였다.
그들은 초기에 전자들만이 들어오는 빛에 반응하며 원자 격자들은 반응하지 않고 남아있다는 것을 보였다. 여기 레이저 펄스가 시료를 떠난 후, 연구진은 원자들의 집단적인 움직임의 시작을 관측하였다. 이것은 가장 빠른 격자 진동의 64펨토초 주기에 근접하였다. 현재 이론에 기반하여, 이들 연구진은 격자 간격이 전자 점프의 결과로 6피코미터 반등한다는 것을 계산해 내었다. 이것은 다른 추정치와 일치하였다.
이런 결과는 복잡하지만 기본적으로 중요한 시스템에 인가된 아토초 과학의 분명한 예를 보여주고 있다고 연구진은 말하였다. 아토초 기술의 뛰어난 시간 분해능은 현재 실험적으로 너무 빨라 분해하기 어려웠던 고체 안의 전자 프로세스를 정확하게 분해할 수 있게 해주었다고 이들 연구진은 말하였다. 이 연구 결과 빛과 물질의 상호작용 이론의 새로운 정립을 가능하게 해주었다. 연구진은 그들의 극도로 짧은 여기 및 펄스 조사 기술로 결정 안의 원자들이 상호작용 동안에 고정된 것으로 간주될 수 있으며, 이것은 이론적 모델링을 훨씬 더 쉽게 해준다고 말하였다. 이들의 연구 결과는 "Attosecond band-gap dynamics in silicon"이라는 제목으로 사이언스 저널에 발표되었다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』