실리콘 표면에의 산화는 반도체 공정상 중요할 뿐 아니라 학문적으로도 흥미의 대상이다. 산화막을 형성하는 방법으로는 습식, 건식 그리고 Atomic Layer Processing 등이 있다. 건식 방법으로 산소 기체를 이용하여 Si(111)-7×7 표면을 산화시킬 때, 초기 산화 상태는 그 동안의 많은 연구에도 불구하고 끊임없는 논쟁거리였다. 그 이유는 원자 수준에서 표면화학종을 검출할 수 있는 적당한 표면분석법이 없었기 때문인데, 본 논문에서는 새로운 저에너지 Cs 이온 반응성 산란법을 이용하여 이 문제를 해결했다.
Si(111)-7×7 표면에 산소가 흡착되면 안정한 산화 상태와 준안정 산화 상태가 존재한다. 안정한 산화 상태는 Si 사이에 산소원자가 삽입된 형태이며, 준안정 산화 상태는 시간이 지나면 안정된 산화 상태로 변화한다. 그런데, 준안정 상태가 산소가 분자로 흡착된 구조인지 아니면 해리되어 원자로 흡착된 것인지가 아직 해결되지 않은 문제였다. 표면화학 반응시에 존재하는 화학종의 분석을 위해 흔히 사용되는 분광학적 방법을 사용하면 스펙트럼이 명확하지 않아서 데이터의 해석이 쉽지 않다. 특히, 분자인지 원자인지 구별하는 것은 더욱 더 어렵다.
우리는 새로운 표면분석 방법인 Cs이온 반응성 산란법을 이용하여 Si의 초기 산화 상태를 연구하였다. 이 방법은 이미 다른 표면들에 적용되어 표면 화학종을 있는 그대로 검출하는 우수한 분석법임이 입증되었다. 이 방법은 2차 이온 질량 분석법을 대폭 보완한 것으로, 2차 이온 질량 분석법이 수 keV의 이온을 입사하여 표면을 훼손시키는데 비해 수십 eV의 Cs 이온을 사용하므로 표면 손상이 거의 없다. 또한, 표면에서 탈착된 중성 분자와 Cs 이온이 반응 결합하여 송이이온을 형성하므로 후이온화 과정을 거칠 필요가 없고, 낮은 입사이온 에너지에도 불구하고 감도가 높아 우수한 검출한계를 갖는다.
실험은 초고진공에서 시료를 1 L (1×10－6 Torr sec) 이하의 산소에 노출한 후 에너지가 550 eV인 Cs 이온을 표면에 입사할 때 탈착되는 송이 이온들을 관찰하였는데, CsSi와 CsSiO 이온이 관찰되었고 CsO2 이온은 검출되지 않았다. 이로부터 산소는 초기에 Si 표면에 원자 상태로만 흡착됨을 알 수 있었다. 이 때 CsSi 이온은 입사 이온 에너지가 20 eV 이상일 때 관찰되었고, CsSiO 이온은 5 eV의 낮은 에너지에서도 관찰되었다. 이것은 SiO가 Si보다 표면에 약하게 결합하고 있다는 것을 암시한다. 이로부터 산소가 Si와 결합할 때 Si 사이의 결합력은 약해지고 Si와 산소 사이의 결합은 강하게 되어 마치 SiO 분자가 표면에 흡착되어 있는 것과 비슷할 것이라는 것을 알 수 있다. 저에너지 Cs 이온 반응성 산란법은 표면분석에 있어서 기존의 분광학적인 방법에 의한 데이터의 유추해석과 비교해서 질량을 직접 검출하기 때문에 데이터의 신빙성이 높다. 따라서 CsSiO 이온의 검출은 산소가 Si 표면에 초기에 해리되어 존재한다는 결정적인 증거가 된다. 이는 기존의 실험 및 이론들의 분자 상태의 산소가 존재할 것이라는 예측을 부정하는 것으로 새로운 반응 모델의 필요성을 제시한다.
최근 포항공대 강명호 교수연구진에서 이 흡착계에 대하여 이론계산을 수행한 결과는 (Phys. Rev. Lett. 82, 968 (1999)) 본 실험 결과와 일치함을 보여준다.
K.-Y. Kim, T.-H. Shin, S.-J. Han, and H. Kang (포항공대), Phys. Rev. Lett. 82, 1329 (1999).
우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 흙, 모래, 벽돌, 알약 등을 비롯해 프린터나 복사기의 토너 운반 입자들은 모두 작은 낱알로 이루어져 있으며, 또한 앞으로 많은 응용이 기대되는 초상자성 초미세 낱알인 γ-Fe2O3와 같은 ferrofluid 형태로 있는 낱알 계도 있다. 따라서 낱알 계의 물리적인 성질은 기초 물리로써뿐 아니라 산업적인 응용 면에서도 매우 중요한 위치에 있다. 이러한 낱알계의 동력학 연구는 비선형적 특성 때문에 큰 진전이 없다가, 최근에 수치계산법의 발전과 컴퓨터의 계산 수행 능력의 발전에 힘입어 많은 사람들이 연구하고 있다.
조화 진동자 문제는 중·고등학교 때부터 다루어지는 물리학에서 가장 기본적인 문제 중 하나이다. 우리는 서로 연결된 여러 개의 조화 진동자 계를 일반역학 등에서 공부한 바 있다. 이렇게 두 입자간에 작용하는 힘이 조화 진동자처럼 Hook의 법칙을 따르면 이 계의 입자운동은 선형미분방정식으로 표현되어 그것을 푸는 데는 큰 문제가 없다.
그러나 낱알간 접촉 시 작용하는 힘은 Hook의 법칙을 따르지 않아 낱알의 운동이 비선형 미분방정식으로 표현된다. 예로써, 구형 낱알간에는 F＝－kx3/2인 힘이 작용한다. 이 경우를 특히 헤르쯔(Hertz) 형 접촉이라 한다. Nesterenko는 수평한 일차원 헤르쯔 형 접촉 낱알 계에서는 신호의 전파가 쏠리톤임을 보인 바 있다. 이 쏠리톤은 여러 개의 쇠구슬을 실에 매달아 수평으로 접촉시켜 놓은 교육용품에서 한 쪽 구슬을 칠 때 그 신호를 그대로 다른 쪽 끝에 전달하는 것에서 쉽게 볼 수 있다.
그러나 실제 낱알은 울퉁불퉁하여 거듭제곱의 수가 (3/2)이 아닌 다른 수를 가진다. 이 논문에서는 일반적인 지수 법칙 형의 접촉힘 F＝－kxp인 낱알을 수직으로 한 줄로 쌓아 놓고 위에서 음파 등을 이용하여 약한 펄스 형태의 자극을 보냈을 때 신호가 퍼져나가는 특성을 연구하였다. 수평 낱알 계와는 달리 수직 낱알 계는 중력의 영향에 의해 아래로 내려가면서 낱알간 중첩되는 길이 x가 길어진다. 그리고 접촉힘의 비선형적 성질 때문에(δF/δx)로 정의되는 힘상수 μ는 깊이 h에 따라 μ∝h[1－(1/p)]로 증가해 감을 알 수 있다. 이 때문에 신호아래로 내려가면서 퍼지게된다.
우리는 자극의 세기가 충분히 작은 경우에 힘상수가 깊이에 따라 위 식으로 변하는 선형 용수철로 연결된 진동자의 경우로 전환되어 낱알의 운동방정식이 선형 미분방정식이 됨을 알았으며, 이로부터 자극 신호의 진행 속력, 변위 신호, 낱알의 속력 신호, 신호의 진동 주기, 파장, 주파수가 모두 깊이에 따른 지수 법칙(power-law)을 따르며 진행한다는 것을 알 수 있었다. 즉,
이며, 주기 (T∼d/v), 파장 (λ∼cT), 주파수 (ω∼v/d)는 이들의 결합으로 얻어진다. 위의 결과는 분자 동력학 시늉 결과와 여러 p에 대해 잘 일치함을 보였다. 이 연구는 음파 또는 탄성파를 이용하여 낱알 계 내부에 관한 정보를 알 수 있는 비파괴 검사에 응용할 수 있다.
홍종배, 지정영, 김희경 (서울대)
Phys. Rev. Lett. 82, 3058 (1999).
인터넷 등 정보교통량이 폭증하는 차세대의 광자기술(photonics)로서, 광교환 및 광컴퓨팅기술이 광통신 뒤를 따라 발전하고 있다. 이를 위한 광집적회로에는 궁극적으로 기존 전자소자만큼 대규모집적화(LSI)가 가능한 광원 및 광변조소자가 필요하다. 즉 소자의 소비전류가 CMOS급으로 작고 제품신뢰도가 월등해야 한다. 최근까지 벨연구소에서는 SEED라는 광교환소자, (수직공진)면발광레이저(VCSEL), 및 '속삭이는 회랑'(WG)이라는 레이저소자 등을 이러한 목적으로 개발해 왔으나 기술적 한계들이 극복되지 못하였다.
이 논문에서는 둥근 양자선(quantum wire) 형태의 광양자테(PQR)레이저라는 새로운 소자의 특성을 규명하고 이것이 위의 소자들의 기술적 약점들을 극복할 수 있음을 보여주고 있다. 우선 흥미로운 부분으로서 이 레이저의 핵심인 광양자테라는 것이 대단히 까다로운 신기술로 탄생하는 것이 아니라, 기존의 특정 반도체레이저 구조에 숨어서 내재하던 자연발생적인 것임을 증명한다.
일례로 VCSEL 구조에서는 면발광과 광양자테발광이 동시에 이루어질 수 있음이 예시되고, 광양자테의 주요특성인 마이크로암페어급 극소문턱전류와 발진파장의 제곱근 온도의존성이 제시된다. 현재 VCSEL 연구자들은 산화막층을 추가하는 등 극소전류를 실현하는 문제와 편광제어, 파장의 선형적 온도의존성 등에 부심하고 있는데 광양자테는 그런 핵심문제들을 간단히 해결함을 보여준다. 광양자테를 이루는 원주형 소자모형 지름이 6마이크론정도로 줄어들기만 하면 문턱전류는 쉽사리 1마이크로암페어 이하가 될 수도 있다. 또 광양자테의 광출력이 원형대칭성이라는 기본특성은 편광제어라는 고민을 원천적으로 해결한다.
본 광양자테에서 관측된 발진파장의 제곱근 온도특성은 사실 지금껏 제작된 인공 양자선레이저도 보이지 못한 양자선의 핵심특성이다. 첨단기술로도 나타나지 않던 제곱근 특성이, 별볼일 없게 제작한 광양자테에서 저절로 나타난 것은 신기롭다. 우선 제곱근 특성의 기술적 중요성은 소자의 구동온도가 상온 위의 영역에 이르면 발진파장이 효과적으로 안정된다는 점이다.
제곱근 특성의 물리적 중요성은 광양자테라는 신소자 개념의 근본적 단서가 되는 데에 있다. 레이저 매질의 이득특성이 파장의 온도의존성을 좌우하는 경우는 '긴 공진기' 형태일 때인데, 같은 소자구조에서 짧은 공진기형의 VCSEL 발진과 함께 보이는 광양자테 발진은 Rayleigh의 WG형 3차원 토로이드 공진 구조 때문에 '긴 공진기' 발진을 따르고, 이 제곱근 특성은 바로 헛양자선(pseudo-quantum wire)의 존재를 의미하며, 전류특성 분석으로써 공진기내에서 배열을 이루는 광양자테의 개수를 결정할 수 있게 된다. 광양자테라고 명명한 이유는 이 배열의 횡방향 주기가 광의 반파장으로 정해지기 때문인데, Rayleigh의 WG 공진기가 이렇게 해석된 예도 처음이며 이런 광양자테 해석으로서 극소문턱전류 특성까지 명쾌하게 설명할 수 있다. 그러나 광양자테 발진은 VCSEL 발진조건을 반드시 수반해야 할 필요가 없으므로 소자제작을 위한 에피탁시가 훨씬 용이하게 된다. 한편 WG형 공진기 내부를 진행하여 이루어지는 정상파들은 3차원 나선형을 이루기 때문에, 그 감쇄파들이 합성되어 결과하는 출력광은 (3차원 공진기를 채우는 광파의) 진행각도에 따른 파장튜닝 가능성을 보이는데, 이는 각도분할다중화(ADM)방식 및 광자동화(Opto mation)라는 신기술을 잉태하게 한다.
본 광양자테 논문이 암시하는 또하나의 중요성은, 그 배열이 자유전자들의 드브로이(de Broglie)파로 이미 내재하고 있는 주기성을 훨씬 초월하는 '광파적 초주기성'을 갖는다는 것이다. 최근 활발한 레이저 포획(trapping) 연구에서 확인되기도 하는 '광파적 초주기성' 연구와 응용은 다음 숙제이다.
안정착, 곽규섭, 박병훈, 강화영, 김준연, 권오대, Phys. Rev. Lett. 82, 536 (1999).