포스텍(POSTECH)은 박경덕 물리학과 교수, 통합과정 구연정·이형우씨가 러시아 ITMO대 바실리 크랍초프 교수와 공동으로 2차원 물질의 준입자를 좁은 공간에서 능동적으로 제어할 수 있는 다기능 탐침증강 나노현미경을 개발했다고 28일 밝혔다.
연구팀은 이를 이용해 TMD 이종접합물질에서 새롭게 발현하는 층간엑시톤과 층간트라이온 등 반도체 입자를 약 20㎚ 수준에서 제어하는 데 성공했다.
이종접합물질 층간엑시톤은 일반 엑시톤과 마찬가지로 반도체 특성의 광발광 현상을 일으킨다. 전기적으로 중성인 준입자 상태에서 빛과 물질 간 전환이 자유로워 발열이 적은 차세대 반도체 소자로 응용할 수 있다. 또 기존 엑시톤에 비해 결맞음 시간이 매우 길어 양자정보통신 광원으로도 활용될 수 있다. 하지만 층간엑시톤은 상온에서 발광효율이 매우 낮고 발광에너지의 변조가 어렵다는 단점이 있다.
선행연구에서 엑시톤 나노공간제어 원천기술을 제시한 바 있는 박경덕 교수팀은 기가파스칼(GPa) 수준 압력과 근접장 세기로 조절 가능한 다기능 탐침증강 나노현미경을 개발했다.
이 현미경은 층간엑시톤의 발광효율을 약 9000배 증가시키고 발광에너지(빛의 색깔)의 능동적인 변조를 가능하게 했다. 여기에 탐침 기반 핫 전자(Hot Electron) 주입 기술을 더해 층간엑시톤과 층간트라이온 사이의 준입자 변환을 자유자재로 제어하는 데 세계 최초로 성공했다.
이번 성과의 최대 장점은 상온 상압 조건에서 물성을 능동적으로 제어하는 것은 물론이고 빛의 파장보다 훨씬 짧은 약 20㎚ 공간분해능으로 반도체 입자 광학적 특성을 실시간 분석할 수 있다는 것이다.
이 논문의 제1저자인 구연정 씨는 “이번에 개발한 나노현미경은 이종접합물질에서 새롭게 발현하는 물리적 현상을 층간엑시톤과 같은 반도체입자 개별 단위에서 규명할 수 있어 앞으로 어떤 물리적 발견이 있을지 더 기대된다”고 말했다.
이번 연구성과는 차세대 물질로 활발하게 연구가 이뤄지고 있는 이종접합 2차원 반도체의 다양한 응용 가능성을 연 것으로 평가받는다. 연구 결과는 계측장비 개발의 기초연구를 통해 이뤄졌다는 점에서 학계 주목을 받고 있다.
이번 기술은 또 고휘도 초박막 웨어러블 광전자소자 등 개발에 활용될 것으로 기대되며 특히 미국, 일본, 중국 등에서 반도체 장비 시장 선점을 위해 기술 장벽을 구축하고 있는 현시점에서 더 의미가 있다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단, 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 광학 분야 국제학술지 '라이트:과학과 응용(Light:Science & Applications)'에 게재됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
