UNIST 물리학과의 박경덕 교수팀은 2차원 반도체 ‘나노주름’의 물리적 특성을 제어하면서 이를 수 나노미터 수준의 정밀도로 관찰하는 데 성공했다. 연구진이 독자 개발한 ‘능동형 탐침 증강 광발광 나노현미경’ 기술 덕분이다. 이 기술로 2차원 반도체의 결함으로 여겨지던 나노주름이 발광소자 제작에 유리한 특성을 지닌다는 점도 실험적으로 입증됐다. 종이처럼 얇고 굽혀지는 디스플레이 같은 차세대 전자 소자 개발이 앞당겨질 전망이다. 

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

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 있다. 

이 나노현미경은 금 탐침으로 주름을 미세하게 눌러(원자 힘)가며 관찰하는 방식으로 작동된다. 탐침은 나노주름에서 나오는 약한 발광 신호를 증폭시킬 뿐만 아니라 주름 모양을 정밀하게 바꿀 수 있다. 주름의 구조적 모양이 바뀌면 이와 연관된 각종 물리적 특성이 변하게 된다. 

연구진은 이 기술로 ‘빛 입자’로 불리는 엑시톤†이 이셀레늄화텅스텐(WSe2)‡의 나노주름으로 모여드는 ‘엑시톤 깔때기’ 현상을 규명했다. 빛 입자가 주름으로 몰려 나노 주름의 발광 특성이 오히려 주름이 없는 상태보다 우수하다는 사실을 실험적으로 입증한 것이다. 

† 엑시톤: 절연체 또는 반도체 내에서 전자와 양공이 결합하여 만든 준입자다. 즉, 정전기력으로 인하여 결합한 전자-양공 쌍이며, 준입자이다.
‡ 이셀레늄화텅스텐(WSe2): 박막형태로 분리 가능한 이차원계 층간 물질인 전이금속칼코겐화합물 중 하나이다. 반도체 성질을 보유하고 있으며, 페르미 준위가 에너지 밴드갭 중간에 위치하고 있어서 외부 도핑에 의해 p형 또는 n형 반도체 특성을 상대적으로 쉽게 유도할 수 있다.

또 연구팀은 나노스케일에서 자유자재로 물리적 특성을 제어하는 새로운 방식의 초소형 튜너블(tunable) 나노광원 플랫폼도 실험적으로 제시했다. 금 탐침의 압력에 의한 나노주름 구조 변형으로 전자띠구조(고체 내의 전자들이 가질 수 있는 에너지의 영역과 가질 수 없는 영역을 나타낸 구조), 발광 양자수율(광화학 반응에서 실제로 화학 변화를 일으킨 분자 수와 흡수된 광양자 수의 비), 엑시톤 거동과 같은 물리적 특성을 바꾸는 원리다. 

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 설명했다.

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 설명했다.  

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 기대했다. 

  한편, 연구에 사용된 2차원 반도체 물질 제작에는 성균관대 김기강 교수, 최수호 박사와 충북대 이현석 교수가 참여했다. UNIST 화학과의 이근식 교수와 김용철 연구원은 연구결과의 이론적 계산에 참여했다. 

연구결과는 국제학술지 Advanced Materials에 3월 11일자로 온라인 공개됐으며, 겉표지논문으로 선정돼 정식출판 예정이다. 또한 능동형 나노현미경에 관한 원천기술은 특허 출원되었다.
(논문명: Tip-induced nano-engineering of strain, bandgap, and exciton funneling in 2D semiconductors)

이명아 기자 다른기사 보기