“전자가 들떴다.” 무슨 말일까요?

가장 낮은 에너지 상태였던 전자가 주변에서 에너지를 받아 더 높은 에너지 상태로 변한 것을 의미합니다. 예를 들어, 빛 에너지를 화학 에너지로 전환시키는 식물의 광합성이라든지, 빛을 전기 에너지로 변환시키는 태양전지가 들뜬 상태의 대표적인 예입니다.

KBSI 스핀공학물리연구팀의 방준혁 박사는 이런 들뜬 상태의 현상에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 최근 차세대 반도체 소재로 각광받고 있는 2차원 물질의 빛에 의한 상전이 매커니즘을 규명하면서 주목받고 있는데요. 이번 연구는 실험적으로 확인되었던 현상을 이론으로 정립한 것으로, 향후 웨어러블 전자기기나 사물인터넷 부품, 극초소형 컴퓨터 구현을 앞당길 수 있는 청신호로 받아들여지고 있습니다.

빛을 통해 반도체와 금속 상태를 오가는 2차원 물질의 특성 규명

반도체에 관심이 많으신 분들이라면 그래핀에 관해서는 익숙하실 겁니다. 꿈의 나노 물질로 불려온 그래핀은 큰 전기 전도성과 뛰어난 강도를 가지고 있어, 차세대 나노 소재로 많은 응용 연구가 진행돼 왔습니다. 그러나 그래핀은 물질 내 전자의 흐름을 조절하는데 필요한 요소인 밴드갭(물질의 전자가 위치하는 가전자 에너지띠와 전도 에너지띠 사이 전자가 존재 할 수 없는 특정 에너지 영역)이 존재하지 않아, 전자소자 응용에 어려움이 있습니다. 전 세계 연구진들이 그래핀에 밴드갭을 만들어내기 위한 많은 연구를 진행했지만, 소자 응용에 적합한 방법을 찾지는 못했습니다.

한편 그래핀과 비슷한 2차원 물질들이 발견되기 시작했는데, 그 중의 하나가 바로 전이금속칼코젠이라는 물질입니다. 이들은 자연적으로 밴드갭을 가지는 반도체 물질이었죠. 최근 들어 전이금속칼코젠을 기본으로 한 화합물에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있는 것도 바로 이 때문입니다.

칼코젠 원소는 주기율표 상에서 16족에 해당하는 원소들 중 산소를 제외한 황과 셀레늄, 텔레늄이 여기에 속합니다. 여기에 전이금속이 더해져 만들어진 전이금속칼코젠 화합물은 그래핀과 유사한 2차원 물질로 투명성과 유연성이 우수하다는 특징이 있는데요. 한 가지 특이한 점은 두 가지 다른 특성을 지니는 상, 즉 2H 라는 반도체 상태와 1T’ 이라는 도체 상태를 가질 수 있는 것입니다.

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