서강대학교(총장 심종혁)는 물리학과 장준익 교수 연구팀(제1저자: 물리학과 류홍선 석·박통합과정, 공동저자: 남서현 동문 물리학과 석사)의 연구 성과가 재료과학 분야의 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials, IF=30.849)’에 온라인으로 게재되었다고 28일 밝혔다.
본 연구는 연세대학교 물리학과 이연진 교수 연구팀과 긴밀한 협업 연구로 이루어졌으며, 한국연구재단의 개인(중견)기초연구 지원으로 수행되었다.
바이엑시톤은 극한 조건(초저온 및 고밀도)의 반도체 내부에서 발현되며, 페로브스카이트 물질 군에서는 양자역학적 효과가 큰 저차원 나노구조에서만 관측된다는 것이 기존의 학설이었다. 그러나, 장준익 교수 연구팀은 본 연구를 통해 바이엑시톤이 일반적인 3차원 구조에서도 존재함을 세계 최초로 밝혔다.
할로겐화 페로브스카이트는 유기 양이온(A), 금속 양이온(B), 할로겐 음이온(X)이라고 부르는 세 가지 성분이 1:1:3의 비율로, 육면체나 팔면체 같은 특정한 격자 구조(ABX3)를 이루고 있는 물질을 말한다. 할로겐화 페로브스카이트는 매우 뛰어난 광 특성을 보유하고 있고, 이는 광 여기 시 생성되는 전자와 양공의 결합체인 엑시톤의 특성으로 발현된다. 엑시톤은 반도체의 들뜬 상태에 해당하며, 전자와 양성자로 이루어진 수소 원자와 같은 입자이다.
수소 원자 2개가 결합하여 수소 분자를 이루듯이, 2개의 엑시톤이 서로 결합하면 바이엑시톤을 형성할 수 있다. 바이엑시톤은 반도체의 분광학적 초미세 구조 연구, 스핀 소자 및 양자 광원에 응용 가능성이 있기 때문에 매우 중요하다. 일반적으로 페로브스카이트의 바이엑시톤은 양자가둠효과가 강하게 발현되는 저차원 구조에서만 한정되어 존재하는 것으로 학계에 널리 알려져 왔지만, 본 연구팀은 일반적인 3차원 페로브스카이트에서도 존재한다는 새로운 결과를 도출하였다.
할로겐화 페로브스카이트는 차세대 태양전지 및 LED 발광소자로 전 세계적으로 주목받고 있는 반도체이며, 저렴한 액상법을 이용해서 성장할 수 있다. 그러나 액상법으로 제작한 페로브스카이트 단결정의 표면은 다양한 격자 결함을 가지고 있고, 이는 페로브스카이트 기반 광소자의 효율을 저하시킬 수 있는 치명적인 요인이 된다.
이와 관련하여 서강대 장준익 교수팀은 바이엑시톤의 존재 가능성을 이론적 모델을 통해 예측하였으며, 확보된 고순도의 3차원 결정면에서 온도와 빛의 세기에 따른 분광학 기법을 이용하여 바이엑시톤의 존재를 실험적으로 증명하였다. 더 나아가 공명 2광자 흡수법을 이용하여 바이엑시톤의 정확한 내부에너지를 결정하였다. 또한 연세대 이연진 교수팀은 3차원 페로브스카이트 단결정을 특정 방향으로 정밀하게 자르면 원자 수준의 고품질 결정면을 확보할 수 있음을 X선 회절과 X선 광전자 분광법을 통해 밝혔다.
서강대 물리학과 장준익 교수는 “할로겐화 페로브스카이트의 정확한 광 특성 규명을 위해서는 결함이 없는 고순도 시편을 이용해야 하며, 바꿔 말하면 바이엑시톤의 존재 여부에 근거하여 물질의 품질을 원자 수준으로 판별할 수 있음을 제시한 세계 최초의 연구 결과이다”라고 전했다. 공동연구를 진행한 이연진 연세대 교수는 “이 물질에 기반한 태양전지 및 LED 효율 상승과 상용화를 위해서 고품질의 페로브스카이트 확보법에 대한 연구가 지속되어야 한다”라고 강조했다.
▶ 논문명: Observation of Three-Dimensional Biexcitons in Pristine-Quality CH3NH3PbBr3 Single Crystals
