서강대학교(총장 박종구) 물리학과 장준익 교수 연구팀의 연구성과가 지난 16일 화학 분야 최고의 전통과 권위를 갖은 세계적인 학술지인 미국 화학회지 ’Journal of the American Chemical Society (JACS)’에 표지논문으로 게재됐다.
본 연구는 성균관대학교, 미국 노스웨스턴대학교 연구팀과 국제공동연구로 이루어졌으며, 한국 연구재단의 기초연구와 미국 에너지부의 지원으로 수행되었다.
장준익 교수팀은 온도 및 빛의 파장, 세기, 그리고 편광에 따른 ‘광 발광 여기 분광학 (photoluminescence excitation spectroscopy)’ 및 ‘비선형 분광학(nonlinear optical spectroscopy)’ 기법을 이용하여 할로겐 페로브스카이트(halide perovskites) 단결정에서 일어나는 동적 라쉬바 효과(dynamic Rashba effect) 및 정적 라쉬바 효과(static Rashba effect)를 관측하였고, 그 근원을 실험적으로 규명하였다. 라쉬바 효과란 구조적으로 공간 대칭성이 깨진 물질에서 전자의 강한 스핀-궤도 상호작용에 따라 전자의 밴드구조가 분리되는 현상이다.
할로겐 페로브스카이트는 차세대 태양전지 및 LED 발광소자로 전 세계적으로 주목받고 있는 반도체이지만, 이 물질의 우수한 광 특성의 근원에 대한 기초과학적 지식이 정립되지 않았다. 이를 설명하기 위해 2015년에 라쉬바 효과가 이론적으로 제안되었으나, 공간 대칭성을 갖는 페로브스카이트에서 이 효과의 가능성 및 원인에 대한 다양한 이론 및 실험 결과들이 정립되지 않아 논란의 중심에 있었다.
연구팀은 상온에서 열적 진동에 의한 순간적인 공간 대칭의 깨짐으로 인하여 동적 라쉬바 효과가 있음을 증명하였다. 또한, 극저온(영하 263 도)에서만 일어나는 정적 라쉬바 효과가 물질의 자발적인 표면 재구성에 의해 일어남을 밝혀냈고, 더 나아가 화학적 코팅 처리를 통해 이를 능동적으로 제어할 수 있음을 밝혔다.
장준익 교수는 “본 연구를 통해 페로브스카이트에서도 실제로 라쉬바 효과가 일어난다는 사실을 실험적으로 보였다”며 “이와 관련된 우수한 태양전지 소자를 개발하고 상용화 하는 것이 목표”라고 전하였다.
본 연구는 논란의 중심에 있었던 라쉬바 효과의 이해에 대한 기초과학적 지식을 제공하였으며, 이 반도체가 태양전지, LED뿐만 아니라 전자의 스핀을 제어하여 대용량 저장 소자를 구축하는 스핀트로닉스 분야에도 응용될 수 있음을 제시했다는 데 의의가 있다.
▶ 논문 원문 링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c09132
