국내연구진 "원자두께 2차원 반도체에서 새로운 반입자 발견"

[이데일리 오희나 기자] 미래창조과학부는 2차원 원자층 반도체에 빛을 흡수하면 기존에 관측할 수 없었던 엑시톤 형태의 새로운 반입자가 나타나는 현상이 국내 연구진을 통해 규명됐다고 8일 밝혔다.

최현용 교수 연구팀(연세대)은 낮은 광변환 효율이 엑시톤이라고 불리는 매우 특이한 반입자가 2차원 물질에 존재함을 실험적으로 보이면서 반입자의 영향으로 광변환 효율이 낮음을 최초로 밝혀냈다.

엑시톤 (Exciton)은 반도체 물질이 빛을 흡수함으로써 만들어지는 입자다. 반도체 내에 빛이 입사되면 빛 에너지를 이용해 자유 전자와 정공이 만들어지는데, 이 전자와 정공이 강한 인력으로 하나의 입자처럼 합쳐져 엑시톤을 만들 수 있다.

연구팀은 그동안 꿈의 신물질이라 불리우는 그래핀에 비해 수십배의 광흡수률을 보이지만 낮은 광변환 효율을 나타낸 2차원 원자층 물질의 광학적 특성을 엑시톤 반입자라는 발견을 통해 해석했고 엑시톤 구속을 깨뜨릴 수 있는 최소 에너지값을 제시함으로서 태양 전지 등의 광소자 활용에 필요한 기본 원리를 밝혀냈다.

MoS2는 몰리브덴(Mo)과 황(S)이 육각 모양으로 서로 공유결합을 이뤄 판형 구조를 이루는 물질로, 밴드갭이 없는 그래핀과 다르게 1 나노미터 (10-9m) 두께의 단일 층에서도 밴드갭이 존재하기 때문에 차세대 반도체 신소재로 각광받고 있다.

그리고 MoS2의 강력한 빛-물질 상호작용 능력은 태양 전지, 광 탐지기, 발광 소자 등의 광전자 소자로 제작했을 때 그 효율을 향상시키는데 탁월할 것으로 기대되고 있다. 또한 원자 단위의 두께만으로도 충분히 동작이 가능하기 때문에 광전자 소자를 소형화, 경량화 시켜 몸에 붙이거나 박막처럼 만들어 사용할 수 있다.

그러나 광소자 응용을 위한 많은 노력에도 불구하고 2차원 물질을 이용한 광소자 (대표적인 태양 전지)의 효율은 이론적 예상치를 크게 밑돌아 전 세계 과학자들에게 그 원인이 무엇인지 큰 골칫거리가 되고 있었다.

최현용 교수 연구팀은 MoS2 단일 박막에 펨토(10-15)초 레이저를 쪼이는 방식의 초고속 분광법을 이용해 광학적으로 측정 불가능했던 새로운 엑시톤 상태를 발견했다.

펨토초 레이저가 MoS2에 입사되면 엑시톤을 형성한다. MoS2의 엑시톤은 얇은 박막 환경에 의한 강한 공간적 양자 가둠 현상으로 인해 기존 반도체에서의 엑시톤보다 훨씬 안정적인 엑시톤을 만드는데, 이 엑시톤 준위와 전자 전도대 사이에 기존 전기적 및 광학적으로 관측 불가능한 새로운 엑시톤 반입자가 존재함을 발견했다.

새로운 엑시톤 반입자는 수소 원자의 명명법을 따라 2p, 3p 등으로 표기되며, 본 연구를 통해 A 엑시톤의 3p 준위, B 엑시톤의 2p, 3p 준위를 발견할 수 있었고, 엑시톤 기본 준위인 1s 상태로부터 매우 짧은 피코초 시간동안 광학적으로 중적외선 에너지만큼의 전이가 가능함을 발견했다.

이러한 엑시톤 반입자는 전자와 정공이 매우 강력하게 결합돼 전자들이 자유롭게 움직일 수 없게 해 빛에 의해 발생되는 광전류의 생성을 방해하는 역할을 하게 된다.

이번 엑시톤 반입자의 발견으로 인해 MoS2가 광전자 소자로써 가지고 있던 가장 큰 문제점인 자유 전자·정공의 분리 가능성에 대한 근본적인 원인을 밝혔고, 엑시톤 반입자의 구속 에너지를 정확히 측정함으로써 자유전자(즉, 광전류)를 만드는데 필요한 최소한의 에너지를 실험적으로 밝힘으로서 광변환 효율을 증기시킬수 있는 해결책을 제시 할 수 있게 됐다.

최현용 교수는“이번 연구는 과학계의 난제 중 하나인 낮은 광변환 효율의 근본적인 원인을 밝힌 것으로 앞으로 광센서, 광검출기, 태양 전지 등 다양한 광전자 분야에 기여할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

최현용 교수 연구팀(연세대)은 미래창조과학부 중견연구자지원사업 등의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 세계적 권위의 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2월 25일자에 게재됐다.

MoS2의 초고속 광학적 분광법 도식(왼쪽), 연구진에 의해 발견된 MoS2 엑시톤의 새로운 에너지 준위(오른쪽)