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본 연구단은 자체 제작한 물질 성장/제어 장치(일종의 고정밀도 MBE 장치)를 통하여 창조한 신물질계의 전자물성 측정을 위하여, 고분해능으로 전자밴드구조를 측정할 수 있는 각분해광전자분광(Angle-resolved Photoelectron Spectrosocpy, ARPES)과 국소적인 물질계의 격자 구조 및 전자구조를 파악할 수 있는 주사터널현미경/분광(Scanning Tunneling Microscopy/Spctroscopy, STM/S)의 두 가지 실험 방법을 사용한다.

두 실험 방법 모두 ~5×10-11 torr 수준의 초고진공 상태에서 이루어지며, 각분해광전자분광 및 주사터널현미경/분광의 기본적인 원리 소개 및 현재 보유/구축중인 장비들과 각 장비들의 추후 업그레이드 계획에 대한 소개는 다음과 같다.
각분해광전자분광(Angle-resolved Photoelectron Spectroscopy, ARPES)

물질의 전기적 성질은 그 물질 내부에 있는 전자들이 어떤 상태에 있는가에 따라서 결정되며, 따라서 물질의 전기적 성질을 알기 위해서는 그 물질이 가지고 있는 전자에 대한 정보가 필요하다. 즉, 물질 내부에 있는 전자를 그 고체 내부에 있던 상태 그대로 옮겨와서 분석할 때 진정으로 그 물질의 전기적 성질을 이해할 수 있는 것이다. 이것이 가능하게 하는 원리는 20세기 초 아인슈타인에 의하여 설명된, 고체의 표면에 해당 고체의 일함수(work function) 보다 높은 에너지의 빛을 조사할 경우, 그 빛, 즉 광자의 에너지를 받은 전자가 고체를 탈출하여 고체 밖으로 나오는 광전 효과(photoelectron effect) 이다. 광전 효과에 의해 고체를 탈출한 전자들은 고체에서 가지고 있었던 에너지 정보를 가지고 있으며, 이러한 전자들이 에너지에 따라 얼마나 나오는지를 측정하여 스펙트럼을 얻는 것이 광전자분광법(Photoelectron Spectroscopy) 이다.

이같이 고체를 탈출한 전자들은, 조사되는 빛과 고체 표면 사이의 각도에 따라서 다른 운동량을 가진다. 따라서 고체 표면과 빛 사이의 각도에 따라서 각각 스펙트럼을 얻고, 이것을 각도 별로 나열하게 되면 최종적으로 고체의 전자가 가지는 에너지(E)-운동량(k) 분산관계를 파악할 수 있다. 이것이 바로 각분해광전자분광(Angle-resolved Photoelectron Spectroscopy, ARPES)이다. 이를 통해 얻은 전자의 에너지-운동량 분산관계를 통해서, 고체의 전기적 성질과 직접적으로 연결되는 페르미 준위(Fermi level) 상에서의 전자의 운동량, 군 속도, 수명 등과 같은 물리량을 파악할 수 있고, 더 나아가서 다체 효과(many-body effect)에 의한 전자의 에너지 분산 비틀림과 같은 복잡한 물리 현상을 관찰하는 것 역시 가능하다.

현재 본 연구단에서 보유한 각도분해 광전자분광 설비는(그림 1 참조) 초고진공 상태에서 원자선/원자막과 같은 물질의 성장/제어를 위한 부분과, 이와 같이 성장한 물질과 광원 사이의 각도를 정밀하게 조절하고, 측정 시 샘플의 온도를 조절할 수 있는 장비(자체 제작, 페르미 표면 측정 가능, 측정가능 온도 대역은 최저 40K에서 최대 650K까지. 10mK 단위로 조절 가능함.), 그리고 물질에 조사할 빛을 형성시키는 고성능 자외선 광원과(He discharge lamp, Scienta VUV 5000) 스웨덴 Scienta사의 고분해능 R4000 전자분석기로 이루어져 있다. 에너지 분해능은 10meV 이하이다. 2012년 6월 현재 해당 장비에서의 원편광(Circular-polarized) 광원을 위한 새로운 광원으로서 고출력 레이저 광원이 구축 중에 있으며, 추후 레이저의 펄스광 성질을 활용, 시간분해 광전자분광(Time-resolve photoelectron spectroscopy) 설비로 발전시킬 수 있다.

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연구단이 현재(2013년 2월) 보유한 각분해광전자분광 장비의 모습

 

 

주사터널현미경/분광(Scanning Tunneling Microsocpy/Spectroscopy)

터널링 효과(Tunneling effect)는 입자적 관점으로 보는 고전역학으로는 전혀 이해될 수 없는 개념으로서, 물질을 양자역학적 관점으로 볼 때 한 물질이 존재할 확률이 공간적으로 분포된다는 것으로 인해, 에너지를 가지고 진행하는 물질(이를테면, 전압을 가했을 때 이동하는 전자)이 그 자신이 가지고 있는 에너지보다 높은 에너지 장벽을 관통, 다른 위치로 이동할 확률이 존재한다는 개념이다. 이러한 개념을 가장 극적으로 활용, 전기전도성이 있는 고체 표면의 영상을 얻는 것이 바로 주사터널현미경(Scanning Tunneling Microscopy)이다. 끝이 원자 수 개로 구성된 매우 날카로운 금속 탐침(tip)을 표면에 수 나노미터까지 접근시킨 후, 표면과 금속 탐침 사이에 전압을 걸게 되면 처음 언급한 터널링 효과에 의해서(이 경우 금속 탐침과 표면 사이의 진공 공간이 에너지 장벽으로 작용한다) 극미량의 전류가 흐르게 되는데(터널링 전류, Tunneling current. 보통 nA 혹은 pA 수준이다.), 이 전류는 탐침과 표면 사이의 거리 변화에 매우 민감하게 변화한다. 이러한 사실을 이용, 탐침과 표면 사이의 전류가 일정하게 유지되도록 탐침의 높이를 조절하면서 탐침을 표면 위에서 이동시키면(piezoelectric material들을 사용한다.) 고체 표면에서 원자 단위의 굴곡을 영상으로 얻을 수 있다.

이와 같이 얻은 영상의 특정 지점으로 탐침을 옮기고, 그 위치에서 전압을 바꾸어 가면서 Lock-in amplifier를 이용, 터널링 전류의 전압에 따른 변화, 즉 dI/dV를 얻게 되면 지정한 위치의 국소전하상태밀도(Local density of states, LDOS)를 얻을 수 있다. 이것이 바로 주사터널분광(Scanning Tunneling Spectroscopy, STS)이다. 이는 터널링 전류가 탐침과 표면 사이의 거리뿐만이 아니라 국소전하상태밀도와도 연관이 되어 있다는 터널링 전류의 물리적인 특성에 의한 것으로, 이 방법을 통해서 원자 단위의 국소적인 전자 구조 및 그 전자 구조의 위치에 따른 변화 역시 얻을 수 있다.

현재 연구단은 총 3종류의 주사터널현미경을 보유하고, 1대를 신규 구축 중에 있다. 보유한 주사터널현미경 및 현재 구축중인 주사터널현미경들은 모두 기본적으로 물질 성장/제어를 위한 장비를 보유하고 있으며, 각 장비의 특징 및 추후 업그레이드 계획에 대하여 소개하면 다음과 같다.

주사터널현미경(Variable-temperature STM)
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·측정온도 대역 40~300K
·추후 원자힘현미경(Atomic force microscopy, AFM)으로 업그레이드 예정.

고안정도 변온형 주사터널현미경(high-stability Variable-temperature STM)
·현재 구축 중
·측정온도 대역 16~300K

저온형 주사터널현미경(Low-temperature STM)
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·측정온도 대역 6-140K
·추후 스핀분해 저온주사터널현미경으로 업그레이드 예정

극저온자기장형 주사터널현미경(Ultra low-temperature STM with magnetic field)
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·측정온도 대역 ~1K
·자기장 - 3T

 

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