물리천문학부 물리학 박홍규 교수, 2차원물질의 역학적 변형을 이용한 엑시톤 수송 제어 연구
2차원물질의 역학적 변형을 이용한 엑시톤 수송 제어 연구
재구성 가능한 엑시톤 수송을 이용하여 새로운 광전회로 소자 개발 기대
전이금속 디칼코게나이드(TMD)를 포함한 2차원 반데르발스 반도체는 지난 10년 동안 독특한 스핀-밸리 결합과 낮은 차원의 빛-물질 상호작용으로 인해 많은 주목을 받아왔다. 특히, 2차원 반도체에서 나타나는 전자-정공쌍인 엑시톤은 상온에서도 향상된 결합 에너지와 안정성을 가지고 있다. 또한, 밸리트로닉스 및 단일광자 방출 등의 현상을 활용하여 다양한 양자정보기술에 응용될 수 있으며, 이러한 장점 때문에 엑시톤을 기반으로 한 초고속, 고효율의 광전자회로를 구성하기 위한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 2차원 엑시톤 소자 개발의 가장 중요한 요건은 정보 전송을 위해 엑시톤을 국소화하고 수송을 제어하는 것이다. 그러나, 엑시톤의 전하 중립적 특성으로 인해 엑시톤의 전기적 변조는 전하를 띄고 있는 특정 유형의 엑시톤에서만 가능하다. 즉, 엑시톤을 조작하는 데 보다 보편적으로 적용할 수 있는 새로운 기술이 필요한 상황이다.
본 연구에서는 주름진 단일층 텅스텐 디셀레나이드(WSe2) 구조에서 효율적이고 제어 가능한 상온 엑시톤의 수송을 성공적으로 관찰하였다. 광학적으로 분해 가능하고 2.4%의 높은 국소 스트레인 변형을 갖는 WSe2 주름 구조에서 펌프-프로브와 시간 분해 광특성 측정을 통해 마이크로미터 스케일의 ‘엑시톤 깔대기’ 효과를 확인했다. 주름이 없는 WSe2 단일층에서는 엑시톤이 등방성으로 확산되는 반면, 주름 구조에서는 엑시톤이 주름의 골짜기에서 꼭대기까지 방향성을 갖고 2.5 μm 거리까지 움직이는 현상을 관찰한 것이다. 이러한 관찰 결과는 이론적인 계산 결과와도 잘 일치하여 성공적인 스트레인 소자 모델을 수립할 수 있었다. 본 연구 결과는 엑시톤 위상 전이에 대한 엑시톤 수송 및 국소화를 탐구할 수 있는 기회를 제공할 뿐 아니라, 기계적으로 재구성할 수 있는 스트레인 양자 소자의 개발 또한 가능하게 한다. 이를 통해, 가변 자기성과 이방성 열전도도 등을 포함한 새로운 기능성을 갖는 다양한 2차원 재료의 플랫폼을 구현할 수 있을 것이다. 캘리포니아 주립대(어바인) 남성우 교수 연구실과의 공동연구 결과이며, 박홍규 교수 연구실의 정광용 박사(현 충남대 물리학과 교수)와 소재필 박사(현 숭실대학교 물리학과 교수)가 공동1저자로 참여했다.
주름진 단일층 텅스텐 디셀레나이드 (WSe2) 구조에서 나타나는 상온 엑시톤 수송 현상. 주름이 없는 WSe2 단일층에서는 엑시톤이 등방성으로 확산되는 반면, 주름 구조에서는 엑시톤이 주름의 골짜기에서 꼭대기까지 방향성을 갖고 수송됨을 실험적으로 관측하였다.
Strained two-dimensional tungsten diselenide for mechanically tunable exciton transport
[왼쪽부터] 박홍규 교수(서울대 물리천문학부 물리학전공), 소재필(숭실대학교 물리학과 교수)
