□ 차세대 반도체 소자 물질로 각광받고 있는 이차원 나노 물질*에서 전하가 움직이는 원리를 발견함에 따라, 이차원 물질을 활용한 태양전지, LED, 트랜지스터 등의 소자 응용 연구를 위한 이론적 기반을 마련하게 됐다. * 이차원 나노 물질 : 작은 원자가 한 겹으로 배열되어 있는 물질로, 얇고 잘 휘면서 단단한 특성을 갖고 있어 트랜지스터는 물론 태양전지, 디스플레이 등에 적용하기 위한 연구가 활발함 □ 한국기초과학지원연구원(원장 이광식, 이하 기초지원연) 연구장비개발사업단 스핀공학물리연구팀 방준혁 박사는 접합* 된 서로 다른 2개의 이차원 나노 물질 간 양자역학적 전하 이동 원리를 최초로 규명하고 전하의 빠른 이동 원인**을 밝혀냈다. * 물질의 전기적 특성을 조절하여 전기소자에 응용하기 위해 두 반도체 물질을 접합하는 이종 접합 구조를 널리 사용하고 있음. ** 이종 접합 된 이차원 물질의 경우 두 물질 간 간극이 매우 넓은데도 전하의 이동 속도가 매우 빠른 것으로 알려졌는데 그 원인은 불분명한 상태였음 □ 이번 연구에서 방 박사팀은 이차원 물질인 이황화몰리브덴(MoS2)과 이황화텅스텐(WS2)의 이종 접합 구조에서 두 물질 간 빠른 전하 이동이 양자역학적인 중첩(superposition) 효과에 의한 것임을 확인했다. - 이황화몰리브덴을 빛으로 자극 하면 활성화 된 전자와 전자의 빈자리인 정공이 생기는데, 활성화 된 전자는 이황화몰리브덴 내에 머물지만, 정공은 순간적으로 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐에 양자역학적으로 동시에 존재하다가 상대적으로 안정한 위치인 이황화텅스텐에 고정되게 된다. - 이처럼 이종 접합된 이차원 물질 간에는 간극이 넓어 전하이동 속도가 느려져야 함에도 불구하고, 빠른 전하 이동이 나타나는 것은 정공이 양 쪽 물질에 동시에 존재할 수 있는 양자역학적 상호작용에 의한 현상임을 이론적 계산을 통해 규명한 것이 이번 연구의 핵심이다. □ 이번 연구결과는 미국 렌셀러 폴리테크닉대학교(Rensselaer Polytechnic Institute) 연구팀과의 공동연구 결과로, 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 誌’ 5월 10일자 온라인판 (논문명: The role of collective motion in the ultrafast charge transfer in van der Waals heterostructures, IF=11.47)에 게재되었다. □ 기초지원(연) 방준혁 박사는 “물질 내 전하 이동 원리는 소자 응용뿐만 아니라 다양한 물리적, 화학적 현상을 이해하는데 기초가 되는 원리”라며, “새로 발견된 이론적 기초 원리는 향후 이차원 물질 연구 개발뿐만 아니라, 광합성, 물 분해 과정 등 생명 및 화학 현상 연구에 있어서도 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. ☎ 문의처 : 기초지원(연) 스핀공학물리연구팀 |