[붙임] 연구그림

1. 연구배경

2차원 반도체에 존재하고 있는 엑시톤은 전하가 없고 빛과 물질간의 전환이 자유로워 소비전력이 낮고 발열이 없는 차세대 초집적 반도체 소자 및 고효율의 차세대 광통신 소자 개발에 도움이 될 것으로 기대가 되고 있다. 하지만 엑시톤은 전하가 없기 때문에 전자와는 다르게 전기장을 통해서 제어할 수가 없다. 따라서 기계적 변형을 가해 밴드갭 에너지 차이를 인위적으로 만드는 방법을 사용하게 되는데 기존의 연구는 마이크로스케일에서 이루어졌는데 효율이 매우 낮아 실질적 응용에 한계가 있었다.

2. 연구내용

본 연구에서는 나노갭(~200 nm) 구조와 ‘탐침증강 광발광 나노현미경’을 이용하여 나노스케일에서 엑시톤 거동이 매우 효율적으로 변한다는 것을 이론적, 실험적으로 밝혀내었다. 이는 탐침증강 광발광 나노현미경의 빛의 회절한계를 뛰어넘어 수 나노미터의 분해능으로 시료를 관찰함과 동시에 시료에 자극을 줄 수 있는 자체 기술 덕분이다. 더 나아가 연구팀은 탐침증강 광발광 나노현미경을 변형해 탐침이 시료에 기가파스칼(GPa)의 수준의 압력을 가해도록 했다. 원자힘 탐침을 압전소자와 연결하여 0.2 나노미터의 정밀도로 나노스케일의 영역에 매우 높은 압력을 가하는 방식이다. 이를 통해 엑시톤 거동제어를 능동적으로 조절하는 방법 또한 제시하였다.

3. 기대효과

이번에 제시된 고효율 엑시톤 거동제어 기술을 통해 나노스케일에서 일어나는 엑시톤 거동의 광학적, 물리적 특성을 깊이 이해하고, 엑시톤 기반의 차세대 나노 광전자 소자의 광학적, 전기적 특성을 제어하는 실현가능한 방법을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 엑시톤 (exciton)

절연체 또는 반도체 내에서 전자와 양공이 결합하여 만든 준입자. 즉, 정전기력으로 인하여 결합한 전자-양공 쌍 임. 반도체 물질의 광발광 현상을 일으킨다.

2. 트리온 (trion)

엑시톤에 추가적인 전자나 정공이 정전기력으로 인하여 붙은 전하를 띠는 준입자. 반도체의 도핑 밀도에 영향을 받는다.

3. 광방출 (photoluminescence)

물질이 빛에 의해 자극 받아 스스로 빛을 내는 현상

4. 탐침증강 광발광 나노현미경 (tip-enhanced photoluminescence spectroscopy)

플라즈몬 현상에 의해 금으로 제작된 탐침 끝에서 빛의 나노광학 안테나 효과가 일어나며, 이를 이용해 시료의 광발광을 증강시키는 방식의 나노분광현미경을 말함. 플라즈몬은 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 말함. 금속의 나노 입자에서는 플라스몬이 표면에 국부적으로 존재하기 때문에 표면 플라스몬(surface plasmon)이라 부르기도 함.

5. 빛의 회절한계 (diffraction limit)

빛의 회절효과에 의해 광학계가 상을 맺을 수 있는 결상능력의 한계를 칭하는 것으로, 관찰하고자 하는 사물의 물리적 크기가 빛 파장에 비해 작을 경우에는 회절한계에 의해 광학적 이미징이 어려움.

[붙임] 그림설명

그림1. 탐침증강 광발광 나노현미경을 이용하여 나노스케일의 엑시톤 거동을 관찰하고 있는 것을 묘사한 그림.

그림2. 고효율 엑시톤 거동을 실험적으로 확인한 그림. (A) 나노갭이 없을 때의 엑시톤 발광세기 (초록) 와 나노갭이 있을 때의 증강된 엑시톤 발광세기 (빨강). 나노갭 위에 전사된 2차원 반도체와 깊이 (B) 에 따라 대응되는 엑시톤 발광세기 (C) 트리온 발광세기 (D), 발광 선폭 (E).