【브레이크뉴스 포항】박영재 기자= POSTECH(포항공과대학교)은 화학과 박선아 교수, 통합과정 김신협 씨 연구팀이 핀란드 위베스킬라대(University of Jyväskylä) 하누 하키넨(Hannu Häkkinen) 교수 연구팀과 함께 금 나노클러스터 기반 구조체에서 금속 이온의 종류에 따라 전기전도도 및 밴드갭을 다양하게 조절하는 데 성공했다고 1일 밝혔다.
 ▲ Au25 클러스터 기반 구조체에서 금속 이온 조정에 따른 클러스터 간 거리 변화와 전도도 조절 개념을 나타낸 모식도. © 포스텍 |
이번 연구는 미국화학회 화학 권위지인 ‘JACS(Journal of the American Chemical Society)’에 게재됐다.
나노클러스터(nanoclusters1))는 수십 개의 원자가 모인 초소형 구조체로, 크기와 구조에 따라 전기적·광학적 특성이 달라진다. 특히, Au25(SR)18 같은 금(Au) 기반 나노클러스터는 안정적이고, 자가조립을 통해 초격자(superlattice)를 형성할 수 있어 차세대 전자소재로 주목받고 있다. 하지만 나노클러스터 기반 초격자에서 클러스터 간 간격과 배열 등을 원자 수준에서 정밀하게 제어해 전기적 특성을 조절하는 것은 어려운 과제이다.
연구팀은 나노클러스터의 표면에 있는 카르복실산(carboxylic acid)과 여러 금속 이온(Mg²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺) 사이의 상호작용을 활용해, 금속 이온 종류에 따라 클러스터 간 거리를 조절하는 네 종류의 나노클러스터 기반 구조체(Au25-Mg, Au25-Co, Au25-Ni, Au25-Cu)를 합성하는 데 성공했다.
‘단결정 X-선 회절’ 분석에서 연구팀은 금속 이온에 따른 나노클러스터 간 거리 변화를 원자 수준에서 확인했다. 특히, Au25-Cu 구조체는 클러스터 간 거리가 가장 짧았는데, 이는 Cu²⁺ 내부 전자가 전기 흐름에 중요한 역할을 한 결과다. 그 덕분에 Au25-Mg 구조체보다 전기전도도가 약 31배 향상되었다. 더 나아가 연구팀은 금속 이온을 바꿔 ‘전기전도도’, ‘광학 밴드갭(빛을 흡수하는 에너지 범위)‘, ‘활성화 에너지’까지 정밀하게 조절하는 데도 성공했다.
물질의 전자 구조를 계산하는 ‘밀도 범 함수 이론(density functional theory)’ 결과도 이를 뒷받침했다. Au25-Cu 구조에서는 Cu²⁺의 전자 상태가 전류를 잘 흐르게 도와 전도성을 가장 높였다.
이번 연구는 나노클러스터 간 거리뿐 아니라 금속 이온을 바꿔 전자 구조까지 조절할 수 있음을 입증한 연구로 차세대 나노 전자소자와 전기 센서 개발 등 미래 전자소자 설계에 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다.
POSTECH 박선아 교수는 “이번 연구는 나노클러스터 간 상호작용과 전자 구조 조절이 전자 전달 특성에 미치는 영향을 원자 수준에서 밝혀낸 드문 사례”라며, “나노클러스터의 전기적 특성을 이해하는 데 기여할 것”이라며 연구의 의의를 전했다.
한편, 이번 연구는 한국 연구재단 선도연구센터 및 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
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POSTECH-Finland Joint Research Team Succeeds in Controlling Electrical Conductivity of Gold Nanoclusters
Pohang University of Science and Technology (POSTECH) announced on the 1st that a research team led by Professor Park Seon-ah and Kim Shin-hyeop, an integrated student in the Department of Chemistry, in collaboration with Professor Hannu Häkkinen's research team at the University of Jyväskylä in Finland, successfully controlled the electrical conductivity and band gap of gold nanocluster-based structures by varying the type of metal ion.
This research was published in the Journal of the American Chemical Society (JACS), the prestigious journal of the American Chemical Society.
Nanoclusters (nanoclusters) are ultra-small structures composed of dozens of atoms, and their electrical and optical properties vary depending on their size and structure. In particular, gold (Au)-based nanoclusters, such as Au25(SR)18, are stable and can self-assemble to form superlattices, attracting attention as next-generation electronic materials. However, precisely controlling the spacing and arrangement of clusters at the atomic level to tune electrical properties in nanocluster-based superlattices remains a challenging task.
The research team successfully synthesized four types of nanocluster-based structures (Au25-Mg, Au25-Co, Au25-Ni, Au25-Cu) that control the intercluster spacing depending on the metal ion type by exploiting the interactions between carboxylic acids on the nanocluster surface and various metal ions (Mg²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺).
Through single-crystal X-ray diffraction analysis, the research team confirmed atomic-level changes in the intercluster spacing depending on the metal ion. In particular, the Au25-Cu structure exhibited the shortest intercluster distance, a result of the critical role of Cu²⁺ electrons in electrical flow. This resulted in a roughly 31-fold improvement in electrical conductivity compared to the Au25-Mg structure. Furthermore, the research team succeeded in precisely controlling electrical conductivity, optical band gap (the energy range for light absorption), and even activation energy by changing the metal ions.
This finding was further supported by density functional theory (DFT), which calculates the electronic structure of materials. In the Au25-Cu structure, the Cu²⁺ electron state facilitated current flow, resulting in the highest conductivity.
This study demonstrated that not only the distance between nanoclusters but also the electronic structure can be controlled by changing the metal ions. It is expected to open up new possibilities for the design of future electronic devices, including next-generation nanoelectronic devices and electrical sensors.
POSTECH Professor Park Seon-ah emphasized the significance of the research, saying, "This study is a rare example of elucidating the atomic-level impact of nanocluster interactions and electronic structure control on electron transport characteristics. It will contribute to understanding the electrical properties of nanoclusters."
This research was supported by the National Research Foundation of Korea's Advanced Research Center and Basic Research Program.
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