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금속 물질 내부에서는 전기장이 0(zero)이다. 이는 금속 내에서의 자유 전자 움직임이 매우 빠르기 때문에 짧은 시간에 전하들의 재분포가 이루어지기 때문이다. 외부의 인가 전기장이 있을 때에도, 표면에서 조금만 멀어지면 내부 전기장이 0으로 만들어지는데, 이를 “screening”이라고 부른다. 또한 표면에서 전기장이 0으로 되는 지점까지의 거리를 “screening length”라고 부른다. 이와 유사하게 금속내에서 전하를 같은 물질의 쿨롬 포텐셜(Coulomb potential)도 screening length 내에서 완전히 사라진다.

이러한 screening effect를 이해하는 것은 전자소자를 제조하고 특성을 파악하며 조절하는 데 있어서 매우 중요한 분야로 알려져 있으며, 많은 연구가 수행되어 왔다. 그러나 현재까지 나노 재료에서의 이러한 screening effect에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 나노 크기의 재료나 소자에서는 기존의 소자에서와는 완전히 다른 전기적, 자기적 특성이나 양자 역학적 특성을 갖는 경우가 많기 때문에, 나노 재료를 이용한 소자를 상용화하기 위해서는 이에 대한 연구가 필수적이다.

이와 관련하여 최근 Oak Ridge National Laboratory의 연구팀과 Vanderbilt University의 연구팀에 의해 공동 수행된 연구가 있어 이를 소개하고자 한다. 이 연구는 Nano Letters에 “Screening in nanowires and nanocontacts : Field emission, adhesion force, and contact resistance”라는 제목으로 발표되었다.

이번 연구가 발표되기 전에 나노재료에서의 screening에 대한 연구는 아주 제한적인 범위에서만 수행되었다. 금속이나 분자의 기둥 구조에서 그 반지름이 screening length보다 훨씬 큰 경우에 한해서만 적용이 될 수 있는 연구 결과였기 때문이다.

이에 반해, 이번 연구에서는 보다 다양한 구조와 범위에서 나노크기 재료의 screening 효과를 규명하였다는 점에 큰 의미가 있다. 연구팀은 다양한 경계조건(boundary condition)을 이용하여 Poisson 방정식을 풀었고, 이를 통해 나노크기의 재료에서는 screening이 단지 전하 밀도가 표면에 축적되는 것 때문만이 아님을 규명하였다고 한다. 즉, 벌크(bulk) 상태의 screening과 비교하여 screening length가 길어지거나 짧아질 수 있는데, 이는 구조적 특성과 물리적 구성에 따라 달라진다는 것을 알아냈다고 한다.

그림 1에는 연구팀이 수행한 연구의 소자 개요도가 나타나 있다. 이를 통해 장(field) 특성을 파악하였다. 또한 그림 2에서는 다양한 재료와 구조에서 screening 효과가 어떻게 바뀔 수 있는지를 알 수 있게 해주는 증가항(enhancement factor)에 대한 그래프가 나타나 있다. 마지막으로 그림 3에서는 뾰족한 금속 팁(tip) 근처에서 정전기 포텐셜이 어떻게 바뀌는지를 나타내주고 있다.

연구팀은 이번 연구를 통해 금속이나 반도체 특성을 가지는 나노와이어와 나노컨택(나노전극)에서의 전하 screening에 대한 심도있는 연구를 했다는 점에 큰 의미가 있다고 밝히고 있다. 이를 통해 field emission 특성, 접착 특성, 컨택 저항 등의 특성도 더욱 잘 이해할 수 있었다고 밝히고 있으며, field emission 특성에서만 보면 길이가 긴 나노와이어는 성능을 저하시킬 수 있음을 보여주기도 했다. 이번 연구를 통해 나노재료에 대한 이해도가 더 높아졌으며, 보다 정교한 나노소자를 만들 수 있을 것으로 보인다.

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