요약
국내 연구진이 2차원 소재‧소자의 양자역학적 상호 작용 규명했습니다. 원자 격자 각도 제어를 통한 시료 적층 공정 및 양자역학적 공명 터널링 현상을 활용해 기존 분광학적 방법으로는 측정할 수 없는 2차원 반도체 소재의 전기적 특성을 정확하게 측정할 수 있었습니다. 이 연구를 통해 핵심 미래 소자로 주목받는 2차원 소재 기반 소자의 정확한 동작 설계와 공정 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대됩니다.
성균관대학교 에너지과학과 양희준 교수 연구팀이 2차원 적층 소재에 존재하는 슈타르크 효과(Stark effect)를 활용해 양자역학적 밴드갭 제어 및 초절전 트랜지스터를 개발했다고 합니다. 해당 연구는 <Advanced Materialsl>에 게재됐습니다.
2차원 반도체 소재의 전기적 특성 정확히 측정한다
연구팀은 기존의 실리콘 기반 소재에 활용되던 광학적, 전기적 방법은 원자층 두께의 2차원 소재에 존재하는 여러 양자역학적 상호 작용 및 밴드갭을 정확하게 규명할 수 없다는 이슈에 주목했는데요. 최근 활발히 연구되고 있는 2차원 소재 기반 소자들은 근사적이고 이론적인 물성에 의존한 불완전한 연구가 진행 중이었습니다. 연구팀은 원자 격자 각도 제어를 통한 시료 적층 공정 및 양자역학적 공명 터널링 현상을 활용해 기존 분광학적 방법으로는 측정할 수 없는 2차원 반도체 소재의 전기적 특성을 정확하게 측정할 수 있었습니다.
본 연구에 적용된 핵심적인 원리인 슈타르크 효과(Stark effect)는 1914년 요하네스 슈타르크에 의해 보고된 후 1919년 노벨물리학상을 받았으나 지금까지 전기적 방법으로 소자 단위에서 측정 및 규명된 바 없었습니다. 본 연구는 슈타르크 효과가 크게 발현될 수 있는 2차원 적층 구조에서 전기적 방법으로 직접 슈타르크 효과를 관측 및 활용한 최초의 연구라는 의미가 있습니다.
- 슈타르크 효과 (Stark effect)
슈타르크 효과(Stark effect)는 물리학 용어로 외부 전기장에 의해 원자나 분자의 방출 스펙트럼 선이 움직이거나 여러 개로 갈라지는 효과입니다. 슈타르크 효과는 독일의 요하네스 슈타르크가 발견하여 1919년 노벨 물리학상을 수상했습니다.
- 공명 터널링 현상 (resonant tunneling)
양자역학 터널링에서 두 전극에 존재하는 전자의 에너지와 운동량이 같은 때 효과적으로 발생하는 터널링을 공명 터널링이라고 합니다.
- 밴드갭
반도체 소재에 존재하는 에너지 상태로 트랜지스터의 스위치 성능을 만들기 위한 핵심적인 물성입니다. 실리콘 등의 반도체는 대략 1.1 eV(전자 볼트)의 밴드갭을 갖습니다. 2차원 소재의 밴드갭은 그동안 준입자 효과가 너무 크게 작용하여 정확한 밴드갭 값을 측정하기 어려웠습니다.
이번 연구의 교신저자인 양희준 교수는 "이번 연구는 기초물리학 연구를 통해 4차 산업혁명을 대비하는 핵심 미래 소자로 주목받는 2차원 소재 기반 소자의 정확한 동작 설계와 공정 방향을 제시했다"고 밝혔습니다.
