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2차원 반도체 '나노주름' 관찰 나노현미경 개발...발광소자 응용 가능성 입증
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2차원 반도체 '나노주름' 관찰 나노현미경 개발...발광소자 응용 가능성 입증
  • 김수철 기자
  • 승인 2021.03.22 11:21
  • 댓글 0
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반도체‘나노주름’의 소자 응용 가능성 입증 ... Advanced Materials 표지 선정
UNIST 박경덕 교수팀, 수 나노미터 정밀 이미징과 실시간 제어 결합 기술 개발
능동형 탐침증강 광발광 현미경의 특징을 묘사하는 그림-2차원 반도체에 존재하는 엑시톤(빛 입자)이 나노주름에 모이는 ‘엑시톤깔대기’ 현상을 묘사한 그림 /이미지=UNIST 제공

국내 연구진이 독자 개발한 능동형 나노현미경 기술로 2차원 반도체 '나노주름' 제어와 정밀도 관찰에 성공했다. 이 나노현미경은 3차원 공간 초고분해능으로 분석되며, 물질의 특성을 실시간으로 제어하는 4차원 복합현미경으로 저차원 양자물질의 규명에 이용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

울산과학기술원(UNIST) 물리학과 박경덕 교수 연구팀은 '능동형 탐침 증강 광발광 나노현미경' 기술을 독자 개발해 이와같은 관찰에 성공했다고 22일 밝혔다. 또한 연구팀은 2차원 반도체의 결함으로 알려진 나노주름이 발광소자 제작에 유리한 특성을 지닌다는 점을 실험적으로 입증해 종이처럼 얇고 굽혀지는 디스플레이 등 차세대 전자 소자 개발이 앞당겨지게 될 전망이라고 설명했다.

나노주름(wrinkle)은 2차원 소재를 전사할 때 불가피하게 발생하는 1차원 구조의 나노결함으로 주름모양으로 형성되지 때문에 2차원 소재의 물리적 특성을 저해하는 원인 중 하나로 알려져 있다. 이는 반도체 물질의 기계적, 전기적, 광학적 균일성을 해치는 요소로 꼽히며 주름의 크기가 작아 기존 분광 기술로는 정확한 특성 분석이 불가능하며, 정밀하게 부분적 제어 기술이 없어 2차원 반도체의 상용화가 더딘 이유다.

박경덕 교수 연구팀. 박경덕 교수(우측하단), 박 교수 옆은 제1자지인 구연정 연구원 /연구진 사진=UNIST 제공

연구팀은 이 나노현미경 기술로 단일층 이셀레늄화텅스텐(WSe2)의 성장과 전사시 불가피하게 발생하는 나노 주름의 특성을 분광 이미징했는데 '능동형 탐침증강 광발광 나노현미경'은 빛을 회절한계를 넘어 나노수준의 미세주름 관찰이 가능하고 탐침유도 변형률 제어를 통해 나노 주름의 독특한 발광 특성을 정밀하게 제어할 수 있다고 한다.

이 나노현미경은 금 탐침으로 주름을 미세하게 눌러가며 관찰하는 방식인데 탐침은 나노주름에서 나오는 약한 발광 신호를 증폭시키고 주름 모양을 정밀하게 바꾸는 것이 가능하다. 주름의 구조적 모양이 바뀌면 연관된 물리적 특성이 변하게 된다.

절연체 또는 반도체 내에서 전자와 양공이 결합하여 만든 준입자이며, '빛 입자'로 불리는 엑시톤이 이셀레늄화텅스텐의 나노주름으로 모여드는 '엑시톤 깔때기' 현상을 연구팀이 발혀냈으며, 주름이 없는 상태보다 나노주름의 발광 특성이 더 우수하다는 사실도 실험으로 입증했다. 또한 나노스케일에서 자유자재로 물리적 특성을 제어하는 새로운 방식의 초소형 튜너블(tunable) 나노광원 플랫폼도 실험적으로 제시했다.

현미경의 작동형태와 시각화된 인장 변형률 및 엑시톤 분포도/이미지=UNIST 제공

박경덕 교수는 “물질의 구조적·광학적 특성을 3차원 공간에서 초고분해능 분석과 원자현미경 기술을 접목해 물질의 기계적 특성 그리고 전기적, 광학적 특성을 실시간으로 제어하는 4차원 복합현미경을 개발한 것” 이라며 “이를 통해 나노현미경의 새로운 패러다임을 제시했다”고 말했다.

연구팀은 저차원 양자 물질의 물리적 특성 규명과 이들에 존재하는 엑시톤과 같은 다양한 준입자 간 상호작용을 나노스테일에 제어하는 새로운 연구분야를 개척할 수 있을것으로 기대했다.

이번 연구는 국제학술지 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)에 논문명 'Tip-induced nano-engineering of strain, bandgap, and exciton funneling in 2D semiconductors'로 3월 11일자 온라인 공개됐으며, 겉표지논문으로 선정돼 정식출판 예정이다. 이날 UNIST는 능동형 나노현미경에 관한 원천기술이 특허 출원되었다고 밝혔다.


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