2차원 반도체 '나노주름' 관찰·제어 동시 가능한 나노현미경
2차원 반도체 '나노주름' 관찰·제어 동시 가능한 나노현미경
  • 함예솔
  • 승인 2021.04.05 19:05
  • 조회수 355
  • 댓글 1
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UNIST 물리학과의 박경덕 교수팀은 2차원 반도체 '나노주름'의 물리적 특성을 제어하면서 이를 수 나노미터 수준의 정밀도로 관찰하는 데 성공했습니다. 연구진이 독자 개발한 '능동형 탐침 증강 광발광 나노현미경' 기술 덕분입니다. 이 기술로 2차원 반도체의 결함으로 여겨지던 나노주름이 발광소자 제작에 유리한 특성을 지닌다는 점도 실험적으로 입증됐습니다. 종이처럼 얇고 굽혀지는 디스플레이 같은 차세대 전자 소자 개발이 앞당겨질 전망입니다. 

 

나노주름 제어하고 관찰하는 나노현미경

 


2차원 반도체 물질은 두께가 원자 수준으로 얇아 제조과정에서 수십 나노미터 수준의 주름이 불가피하게 생기는데, 이 주름은 반도체 물질의 기계적·전기적·광학적 균일성을 해치는 요소로 꼽힙니다. 주름의 크기가 작아 기존 분광 기술로는 정확한 특성 분석이 불가능하고, 특성을 부분적으로 정밀하게 제어할 수 있는 기술이 없어 2차원 반도체의 상용화가 더딥니다. 

 

연구진이 개발한 탐침증강 광 발광 나노현미경은 나노주름의 구조적, 광학적 특성 등을 15nm(나노미터, 10-9m) 수준으로 쪼개 정밀 분석할 수 있을 뿐만 아니라 그 특성을 자유롭게 조절할 수 있습니다. 이 나노현미경은 금 탐침으로 주름을 미세하게 눌러(원자 힘)가며 관찰하는 방식으로 작동됩니다. 탐침은 나노주름에서 나오는 약한 발광 신호를 증폭시킬 뿐만 아니라 주름 모양을 정밀하게 바꿀 수 있습니다. 주름의 구조적 모양이 바뀌면 이와 연관된 각종 물리적 특성이 변하게 됩니다. 

능동형 탐침증강 광발광 현미경의 특징을 묘사하는 그림. 출처: UNIST
능동형 탐침증강 광발광 현미경의 특징을 묘사하는 그림. 출처: UNIST

연구진은 이 기술로 '빛 입자'로 불리는 엑시톤이 이셀레늄화텅스텐(WSe2)의 나노주름으로 모여드는 '엑시톤 깔때기' 현상을 규명했습니다. 빛 입자가 주름으로 몰려 나노 주름의 발광 특성이 오히려 주름이 없는 상태보다 우수하다는 사실을 실험적으로 입증한 겁니다. 

  • 엑시톤

절연체 또는 반도체 내에서 전자와 양공이 결합해 만든 준입자입니다. 즉, 정전기력으로 인하여 결합한 전자-양공 쌍이며, 준입자입니다.

  • 이셀레늄화텅스텐(WSe2)

박막형태로 분리 가능한 이차원계 층간 물질인 전이금속칼코겐화합물 중 하나입니다. 반도체 성질을 보유하고 있으며, 페르미 준위가 에너지 밴드갭 중간에 위치하고 있어서 외부 도핑에 의해 p형 또는 n형 반도체 특성을 상대적으로 쉽게 유도할 수 있습니다. 

또 연구팀은 나노스케일에서 자유자재로 물리적 특성을 제어하는 새로운 방식의 초소형 튜너블(tunable) 나노광원 플랫폼도 실험적으로 제시했습니다. 금 탐침의 압력에 의한 나노주름 구조 변형으로 전자띠구조, 발광 양자수율, 엑시톤 거동과 같은 물리적 특성을 바꾸는 원리입니다. 

  • 전자띠구조

고체 내의 전자들이 가질 수 있는 에너지의 영역과 가질 수 없는 영역을 나타낸 구조입니다.

  • 양자수율

광화학 반응에서 실제로 화학 변화를 일으킨 분자 수와 흡수된 광양자 수의 비.

현미경의 작동형태와 시각화된 인장 변형률 및 엑시톤 분포도. 출처: UNIST
현미경의 작동형태와 시각화된 인장 변형률 및 엑시톤 분포도. 출처: UNIST

연구를 주도한 구연정 UNIST 물리학과 학부생은 "기존 통념에 기반한 단순 관찰에서 멈추지 않고 능동형 나노현미경만의 독특한 기능을 활용해 골칫거리로 여겨지던 나노주름이 스위칭과 변조가 가능한 양자광원으로 쓰일 수 있다는 사실을 입증했다"고 설명했습니다.

 

박경덕 교수는 "이번 연구는 물질의 구조적·광학적 특성을 3차원 공간에서 초고분해능으로 분석하는 동시에 원자현미경 기술을 접목해 물질의 기계적 특성과 이와 연관된 전기적, 광학적 특성을 실시간으로 제어하는 4차원 복합현미경을 개발한 것" 이라며  "이를 통해 나노현미경의 새로운 패러다임을 제시했다"고 연구 의미를 설명했습니다.

 

박 교수는 이어 "저차원 양자 물질의 물리적 특성 규명과 이들에 존재하는 엑시톤 같은 다양한 준입자 간 상호작용을 나노스케일에서 제어하는 새로운 연구 분야를 개척할 수 있을 것"이라고 기대했습니다.

박경덕 교수 연구팀. 박경덕 교수(우측하단). 박 교수 옆은 제1자지인 구연정 연구원. 출처: UNIST
박경덕 교수 연구팀. 박경덕 교수(우측하단). 박 교수 옆은 제1자지인 구연정 연구원. 출처: UNIST

한편, 연구에 사용된 2차원 반도체 물질 제작에는 성균관대 김기강 교수, 최수호 박사와 충북대 이현석 교수가 참여했습니다. UNIST 화학과의 이근식 교수와 김용철 연구원은 연구결과의 이론적 계산에 참여했습니다. 연구결과는 국제학술지 'Advanced Materials'에 공개됐으며 겉표지논문으로 선정돼 정식출판 예정입니다. 또한 능동형 나노현미경에 관한 원천기술은 특허 출원됐습니다.


##참고자료##

 


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윤진한 2021-04-06 04:29:00
헌법(을사조약.한일병합 무효, 대일선전포고),국제법, 교과서(국사,세계사)를 기준으로, 일제강점기 잔재를 청산하고자하는 교육.종교에 관심가진 독자입니다.Royal성균관대(국사성균관자격,한국 최고대),서강대(세계사의 교황윤허반영,성대다음Royal대)는 일류.명문끝.

국사 성균관(성균관대)자격뒤에서 왜구서울대극복은 서강대 학구파가유일.2차대전이전 세계지배세력 서유럽.교황윤허資格작용되면 가능한현실.패전국 일본 잔재니까 주권.자격.학벌없이 100서울대,국시110브[연세대>고려대]로살고 Royal성균관대(한국최고대)나 Royal서강대(성대다음예우)위로 점프不認定.대중언론통해 자격없는힘뭉쳐 이미지창줄수준.태학.국자감(北京大),볼로냐.파리대資格.

http://blog.daum.net/macmaca/3154

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