포스텍, 극성 반도체 입자인 '트라이온'의 생성 원리 규명

차세대 반도체로 주목받는 2차원 반도체는 단위 부피 당 광특성이 매우 우수하고 유연하기까지 하다. 유연 소자, 나노광소자, 태양전지 등 다양한 분야에 응용 가능하다.

국내 연구팀이 2차원 반도체 주요 광학 특성인 엑시톤(Exiton)과 트라이온(Trion)을 능동제어하고 실시간 발광특성을 분석할 수 있는 기술을 개발했다.

포스텍(POSTECH)은 박경덕 물리학과 교수·통합과정 강민구 씨, 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료연구단 부연구단장 및 UNIST 화학과 서영덕 교수, 충북대 물리학과 이현석 교수 공동연구팀이 금 나노와이어 기반의 탐침증강 공진분광 시스템을 개발해 엑시톤과 트라이온의 상호변환을 능동제어하고, 실시간 발광특성 분석이 가능한 기술을 개발했다고 24일 밝혔다. 이를 통해 그동안 알려지지 않았던 트라이온의 생성원리를 규명하는데 성공했다.

왼쪽부터 박경덕 포스텍 교수, 통합과정 강민구 씨, 서영덕 UNIST 교수

금속과 반도체를 결합하면 새로운 광학·전기적 특성을 가진 다기능 이종접합소자를 개발할 수 있다. 연구팀은 금 나노와이어에 2차원 반도체인 이셀레늄화 몰리브덴 단일층을 결합해 복합 구조를 만들고, 탐침증강현미경과 결합해 탐침증강 공진분광 시스템을 구축했다.

잘 디자인된 금 나노와이어 구조에 빛을 쏘이면 플라즈몬의 표면 정상파를 구현할 수 있다. 연구진은 이를 이용해 2차원 반도체의 엑시톤으로부터 트라이온으로의 변환을 유도하려고 했는데, 실제로는 전하의 다중극 모드도 큰 영향을 준다는 것을 이번 실험을 통하여 규명할 수 있었다.

탐침 증강 공진 분광 시스템을 이용한 엑시톤과 트라이온 간 변환 제어 이미지

탐침증강 공진분광 시스템은 광 회절한계를 뛰어넘는 약 10㎚의 공간분해능으로 반도체 입자들에 대한 나노광특성의 실시간 분석을 가능하게 한다. 이러한 시스템을 이용해 트라이온의 생성 원리를 규명하고, 엑시톤-트라이온 상호변환의 가역적 능동제어를 가능하게 했다.

연구진은 이를 통해 단순 고정밀 측정장비 개발이 아니라 측정과 더불어 물질의 상태까지 초고분해능으로 실시간 능동제어할 수 있는 새로운 '나노 능동제어 플랫폼'을 제시했다.

이번 연구 제1 저자인 강민구 씨는 “태양전지, 광전 집적회로 등 엑시톤과 트라이온을 활용하는 분야 연구자들에게 새로운 돌파구를 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 충북대 물리학과 김수진 씨, 포스텍 물리학과 통합과정 주희태, 구연정, 이형우 씨 등이 참여했다. 한국연구재단과 과학기술정보통신부, 한국전자통신연구원, 삼성미래기술육성사업, 과학기술사업화진흥원, 한국화학연구원, UNIST, 기초과학연구원(IBS) 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 국제 학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 게재됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com