한국교원대학교 화학교육과 이시우 교수팀이 KAIST 화학과 박정영 교수팀과 함께 고체-액체 계면에서의 핫전자 거동을 실험적으로 최초로 관찰하는 데에 성공을 했다.

 핫전자(hot electron)는 높은 에너지를 가지는 전자로 일반적으로 펨토초(1000조 분의 1초) 동안 1~3eV의 에너지를 방출하며, 수명이 굉장히 짧기 때문에 직접적으로 검출하는 데에 어려운 점이 있어 왔다.

 본 연구진은 촉매에서의 표면화학 반응에 의해 여기(excite) 되는 핫전자를 금속-반도체 쇼트키(Schottky) 나노소자를 이용하여 실시간으로 검출하였다.

 이는 금속-반도체 소자에서의 쇼트키 배리어를 이용하는 것인데, 이 퍼텐셜 배리어를 이용하여 높은 에너지를 가지는 전자만을 선택적으로 직접 전류로(chemicurrent) 검출할 수 있었다.

 특히, 기존에는 불가능했었던 액상 반응에서의 핫전자의 이동(hot electron transfer)을 직접 검출하여 기상 반응에서의 결과와 비교를 하는 것에 성공을 했고, 고체-기체 계면에 비해 고체-액체 계면에서 핫전자의 이동이 100배 가량 증가한다는 점을 처음으로 규명하였다.

 한국교원대학교 이시우 교수는 “이번 연구성과는 액상 반응에서의 핫전자의 여기가 증폭된다는 점을 실험적으로 직접 밝혀 표면화학 반응에서의 에너지 변환 메커니즘을 규명할 수 있는 데 큰 의의가 있다”고 말했다.

 KAIST 박정영 교수는 “기존에는 불가능에 가까웠던 고체-액체 계면에서의 핫전자 거동 관찰은 표면과학 분야의 큰 진전이며 추후 촉매전자학의 개척을 위한 발판이 될 것이다”라며 “본 결과는 차세대 에너지 소자, 반도체 소자개발 및 핫전자 기반 광전기화학 촉매 등의 응용연구를 가속화할 것이다”라고 말했다.

 본 연구결과는 “How Hot Electron Generation at the Solid–Liquid Interface Is Different from the Solid–Gas Interface"으로 2023년 3월 17일 자로 미국 화학회(American Chemical Society)에서 출판하는 나노 과학 분야에서의 최고 수준 학술지인 Nano Letters에 게재되었으며, 제1저자는 한국교원대학교 이시우 교수이며, KAIST 박정영 교수가 교신저자이다.