2D '흑린'의 충격이온화?
2D '흑린'의 충격이온화?
  • 김진솔
  • 승인 2018.08.28 20:30
  • 조회수 1340
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

이차원 반도체 소재에서 에너지 발생을 획기적으로 극대화하는 기술이 개발됐습니다. 성균관대학교 유원종 교수 연구팀이 이차원 흑린 소재를 활용해 전자 소재 내에서 가속적 충격이온화에 따른 전자 발생 기술을 개발했다는 소식입니다.

 

흑린(black phosphorus)이란 인이 이차원 구조 물질입니다. 이차원 소재는 평면적으로는 매우 강한 결합을 이루고 수직방향으로는 결합을 갖지 않는 구조를 말합니다. 미래 신물질로 각광받고 있습니다.

 

흑린의 구조. 출처: Wikimedia commons
흑린의 구조. 출처: Wikimedia commons

또한, 이차원 기반 극박막 반도체를 동작시키는 건 매우 작은 전압으로 가능합니다. 이를 이용해 초절전형 소자제작이 가능해집니다. 3차원 소재와는 달리 전자의 움직임이 평면에 제한되므로 새로운 양자특성, 유연성, 투명성을 보이죠.

 

충격이온화란 고체 내 근접한 전하반송자(전자 또는 홀) 사이에 일어나는 전기적 반응에 의해 추가적인 전자-홀 쌍이 생성되는 현상입니다. 충격이온화가 일어나면 전하반송자의 수가 증가합니다. 이를 통해 반도체 성능 향상 외에, 태양전지, 광검지센서, 광에미터와 같은 광전소자의 에너지효율과 광전변환속도를 크게 높일 수 있는데요. 산업응용의 측면에서 매우 중요하게 활용할 수 있습니다. 이번 연구에서는 소자에 전압을 가할 대 전하반송자인 전자와 홀의 수가 10배 이상 급격하게 증가하는 것이 관찰됐다고 합니다.

 

이차원 소자에 전압을 가했을 때 전자와 홀 수의 급격한 증가.
이차원 소자에 전압을 가했을 때 전자와 홀 수의 급격한 증가. 출처: 한국연구재단

기존에는 실리콘 등의 전자 재료에서 충격이온화에 대한 연구가 있었지만, 소재의 삼차원 구조적 한계로 효과가 거의 없는 걸로 알려져 있었습니다.

 

그러나 최근 이차원 소재 연구가 활발해지면서 이차원 소재 중 흑린에서 충격이온화가 활발히 일어나는 게 관찰됐습니다. 특히 이차원 소재에서는 수직방향으로 전자운동이 제한되므로 충격이온화는 새로운 모양으로 전개될 것을 기대할 수 있었습니다.

 

연구팀은 종이보다 얇은 이차원 소재 흑린에서 충격이온화로 인한 전자수 증가 현상이 활발히 일어나는 것을 관찰했습니다. 이어 흑린이 공기 중에서 산화되지 않도록 보호된 흑린 소자를 제작했습니다.

 

흑린 소자는 전압의 증가에 따라 전자수가 10배 이상 급증하고, 전류도 가속적으로 증가합니다. 실리콘 등 기존 반도체 물질에서는 높은 전압을 걸어도 전류가 더 이상 증가하지 않는 것과 대조됩니다. 이를 이용하면 반도체 성능 향상 뿐 아니라 에너지 효율도 크게 높일 수 있다고 합니다.

 

유원종 교수와(좌) 페이살 아메드 박사 (우) 출처: 한국연구재단
유원종 교수와(좌) 페이살 아메드 박사 (우) 출처: 한국연구재단

유원종 교수는 "이 연구는 이차원 반도체 소재 흑린의 충격이온화 현상을 통해 전자수가 폭발적으로 증가하는 현상을 발견한 것"이라며, 향후 "반도체, 태양전지, LED의 에너지 효율을 극대화하는 데에 적용될 것으로 기대된다"라고 연구의 의의를 설명했습니다.

 


##참고자료##

 

Faisal Ahmed et al. “Impact ionization by hot carriers in a black phosphorus field effect transistor”Nature Communications 9, (2018) : 3414



댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.