IBS 연구팀, 2차원 반도체·금속나노선 융합한 나노광전소자회로 구현

 

아주경제 신희강 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 이현석 연구위원 연구팀이 2차원 반도체 물질로 제작한 단일층 트랜지스터 위에 은 나노선을 다리처럼 연결해 복합소자를 개발했다고 28일 밝혔다.

2차원 반도체는 빛을 받으면 엑시톤(exciton)이 만들어지며, 그 순간 광자가 방출된다. 이 광자가 지름 200나노미터, 길이 수십 마이크로미터의 은 나노선의 표면 플라즈몬(surface plasmon)으로 전환돼 나노선을 따라 지나가게 된다. 플라즈몬 광신호는 건너편 2차원 반도체 소자에 전달돼, 다시 엑시톤이 생긴다. 이 엑시톤은 다시 플라즈몬으로 변환되는 일련의 과정이 반복되며, 정보를 담은 광신호가 전자의 움직임 보다 훨씬 빠르게 전달된다.

연구진은 엑시톤-플라즈몬 간 상호변환 뿐만 아니라 이종의 2차원 반도체 물질 간 광에너지의 흡수·발광·변환에 의한 파장 변환 및 다중화 메커니즘을 실험으로 규명했다. 또한 은 나노선의 고효율 표면 플라즈몬 도파 로 광통신회로에 필요한 엑시톤 트랜지스터, 엑시톤 파장 다중화장치, 고효율 플라즈몬-전기신호 변환기 등 나노광전소자회로 구성의 필수 요소들을 상온에서 구현해냈다.

단일층의 2차원 반도체는 상온에서 엑시톤을 방출하며, 대면적 제작이 용이하고 엑시톤 발광의 전기적 제어가 가능해 차세대 광전소재로 적합하다. 기존에 널리 연구되어온 양자점(quantum dot)이나 양자 우물(quantum well)은 우수한 발광 효과를 가지고 있는 반면, 얇고 균일한 대면적 소재를 양산하기 힘들거나 저온(1.4K이하)에서 동작해 상용화가 어렵다.

연구팀의 이번 연구 성과는 국제 과학학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 11월 28일 게재됐다.