연세대학교(총장 윤동섭) 물리학과 김관표 교수팀이 서로 다른 결정 대칭성을 갖는 2차원 반도체를 결합한 이종접합 구조를 이용해, 빛이 특정 방향으로 편광되어 방출되는 층간 엑시톤(Interlayer Exciton)을 구현했다. 이번 연구는 서강대 물리학과 최영우 교수팀 및 국제공동연구팀과 공동으로 진행됐다.

 

엑시톤은 반도체 내의 전자가 에너지를 흡수할 때 생성된다. 에너지를 얻은 전자는 원래 속박 되어있던 원자에서 벗어나 반도체 내부에서 자유롭게 이동할 수 있는 자유전자가 된다. 원자의 속박에서 벗어난 자유전자(음전하)는 전자가 빠져나간 빈자리인 ‘정공’(양전하)을 남기게 되고, 이들이 서로 전기적으로 끌어당겨 하나의 입자처럼 움직이게 되는데 이를 엑시톤이라고 한다.

 

전자와 정공이 결합할 때 (즉, 전자가 다시 빈자리로 돌아가 안정될 때) 여분의 에너지를 빛의 형태로 방출할 수 있다. 따라서 엑시톤을 제어하고 거동을 이해하는 것은 광전자소자와 다양한 양자 현상을 연구하는 데 활용될 수 있다. 특히, 전자와 정공이 서로 다른 2차원 물질에 존재하는 경우 이를 층간 엑시톤이라고 한다. 층간 엑시톤은 일반적인 엑시톤보다 수명이 길고, 전자와 정공이 서로 다른 층에 위치하기 때문에 수직 방향의 전기쌍극자를 가지므로 전기적인 제어가 용이하다는 장점이 있다.

 

그러나 기존 층간 엑시톤 연구는 선형 편광성을 구현하는 데 한계가 있었다. 선형 편광 발광은 빛의 편광 방향에 따라 반응성이 달라지는 낮은 대칭성의 물질을 활용하면 구현이 가능할 거라 기대되었다. 하지만 전자와 정공이 재결합하여 빛을 방출하기 위해서는 두 입자의 운동량이 같아야 하는데, 저대칭성 2차원 물질을 다른 2차원 물질과 결합할 경우 전자와 정공의 운동량이 달라져 빛을 발산하기 위한 직접 재결합이 약화되기 때문이다.

 

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 서로 다른 특성을 가진 두 종류의 2차원 반도체 물질인 ReS₂ (저대칭성 2차원 물질)와 WS₂ (고대칭성 2차원 물질)를 결합함과 동시에 전자와 정공의 운동량이 일치하는 구조를 갖도록 설계했다. 그 결과 전자와 정공이 서로 다른 층에 위치하면서도 서로 결합해 빛을 효율적으로 방출하는 직접 층간 엑시톤을 형성할 수 있음을 확인했다.

 

실험 결과, 층간 엑시톤에서 나오는 빛이 강한 선형 편광성을 지님을 확인했다. 연구팀은 이러한 편광 특성이 ReS₂가 가진 결정 방향에 따른 고유한 광학적 특성에서 비롯된다는 것을 확인했다. 즉, ReS₂의 결정 구조가 가진 방향성이 두 물질을 결합한 뒤에도 층간 엑시톤의 빛 방출 특성에 그대로 반영된 것이다.

 

김관표 교수는 “이번 연구는 서로 다른 결정 대칭성을 가진 2차원 반도체의 밴드 구조와 운동량을 조절해 각 물질의 특성을 하나의 층간 엑시톤에 구현할 수 있음을 보여줬다”며, “향후 빛의 편광을 선택적으로 제어하는 광전자소자 개발과 방향성을 갖는 엑시톤의 생성·수송을 연구하는 데 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 

이번 연구에는 연세대 G-LAMP 사업단 윤태근 박사후연구원과 서강대 물리학과 이병찬 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연세대 김관표, 조두희 교수, 서강대 최영우 교수, 미국 캘리포니아대 어바인캠퍼스(UC Irvine) 남성우 교수가 공동으로 연구를 수행했다.

 

연구는 연세대 및 서강대 G-LAMP 사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 진행됐다. 연구 결과는 나노과학 분야 학술지 ‘ACS Nano’에 9월 29일 자로 정식 게재됐다.

* 논문 정보

Anisotropic Γ-Valley Interlayer Excitonic Emission in Anisotropic-Isotropic 2D Heterostructure