차세대 반도체로 주목받고 있는 2차원 반도체는 단일 원자층 수준의 두께로 인해 단위 부피 당 광특성이 매우 우수하고 유연하기까지 하다. 이러한 특성을 활용하면, 첨단 유연 소자(flexible device), 나노광소자, 태양전지 등 다양한 분야에 응용이 가능하다. 2차원 반도체의 주요 반도체광학 특성 중 전자-정공이 쌍을 이루는 엑시톤(exiton)이 있다. 이들의 생성 및 재결합 과정을 이용해 발광소자 및 광응용소자를 구현할 수 있는데, 이 과정에서 극성 엑시톤인 트라이온(trion)의 생성 및 정밀 제어는 소자에 많은 기능성을 제공한다.

POSTECH(포항공과대학교) 물리학과 박경덕 교수·통합과정 강민구 씨, IBS(기초과학연구원) 다차원 탄소재료연구단 부연구단장 및 UNIST(울산과학기술원) 화학과 서영덕 교수, 충북대 물리학과 이현석 교수 공동연구팀은 금 나노와이어 기반의 탐침증강 공진분광 시스템을 자체 개발해 엑시톤과 트라이온의 상호변환을 능동제어하고, 실시간 발광특성 분석을 가능하게 했다고 24일 밝혔다. 이를 통해 그동안 알려지지 않았던 트라이온의 생성원리를 규명하는데 성공했다.

금속과 반도체를 결합하면 새로운 광학적·전기적 특성을 가진 다기능 이종접합소자를 개발할 수 있다. 연구팀은 금 나노와이어에 2차원 반도체인 이셀레늄화 몰리브덴(MoSe2)단일층을 결합해 복합 구조를 만들고, 탐침증강현미경과 결합하여 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. 탐침증강 공진분광 시스템은 광 회절한계를 뛰어넘는 약 10㎚의 공간분해로 반도체 입자들에 대한 나노광특성의 실시간 분석을 가능하게 한다. 이러한 시스템을 이용해 트라이온의 생성 원리를 규명하고, 엑시톤-트라이온 상호변환의 가역적 능동제어를 가능하게 했다.

또한, 나노 크기의 영역에 빛을 집속할 수 있는 안테나 역할의 금 탐침은 에너지가 높은 열전자를 자체 생성하게 되는데, 이렇게 생성된 전자들이 2차원 반도체로 주입돼 보다 능동적으로 트라이온 생성을 조절할 수 있었다. 이렇듯 연구진은 단순 고정밀 측정장비의 개발이 아니라 측정과 더불어 물질의 상태까지 초고분해능으로 실시간 능동제어할 수 있는 새로운 ‘나노 능동제어 플랫폼’을 제시했다.

제1 저자인 강민구 씨는 “엑시톤과 트라이온을 제어하는 데 성공했을 뿐 아니라 이 입자들이 플라즈몬, 열전자와 어떻게 상호작용하는지의 원리를 규명했다”며 “태양전지, 광전 집적회로 등 엑시톤과 트라이온을 활용하는 분야의 연구자들에게 새로운 돌파구를 제시할 수 있을 것이다”고 전했다.

연구는 충북대 물리학과 김수진 씨, POSTECH 물리학과 통합과정 주희태, 구연정, 이형우 씨 등이 참여했다.

국제 학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부, 한국전자통신연구원, 삼성미래기술육성사업, 과학기술사업화진흥원, 한국화학연구원, UNIST, 기초과학연구원(IBS) 등의 지원으로 수행됐다.