레이저 빛이 흡수되는 에너지 준위 조절 최초 성공
등록일 2016-12-05
레이저 빛이 흡수되는 에너지 준위 조절 최초 성공
□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 최현용 교수(연세대) 연구팀이 레이저 빛이 흡수되는 특정영역의 에너지 준위*를 제어하는데 최초로 성공하였다고 밝혔다.
*에너지 준위 : 원자 및 분자 시스템이 갖는 에너지 값
□ 레이저를 통해 만든 빛은 전자기장이 특정한 방향으로 진동하는 편광 현상이 나타난다. 이 편광 현상을 통해 물질의 에너지 준위를 조절한다면 새로운 고속 동작 광소자의 제작이 가능하지만 현재까지 이 기술은 개발되지 않았다.
□ 연구팀은 이황화레늄(ReS2)* 물질이 빛의 편광 방향에 따라 에너지 준위가 다른 두 개의 엑시톤을 가지는 것을 착안하여, 그동안 불가능했던 에너지 중첩이 없는 두 개의 엑시톤* 준위를 선택적으로 제어하는 데에 성공하였다. 이로써 빛 편광 제어 광 스타크 효과*를 통해 두 개의 엑시톤 준위를 선택적으로 제어할 수 있게 된 것이다.
*이황화레늄 : 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 물질군에 속하는 물질로 차세대 광응용 소재로 각광받고 있다.
*엑시톤 : 반도체 물질이 빛을 흡수함으로써 만들어지는 입자. 반도체가 빛이 흡수하면 흡수된 빛 에너지를 통해 전자와 정공이 만들어진다. 원자 두께의 반도체 내부에서는 생성된 전자와 정공이 강한 인력으로 연결되어 마치 하나의 입자처럼 행동하는 엑시톤이라는 준입자가 형성된다.
*광 스타크 효과(Optical Stark effect) : 수백 펨토초 (대략 빛이 머리카락 1개 두께만큼 움직이는데 걸리는 시간) 단위의 엑시톤 에너지 준위를 변화시키는 현상
□ 최현용 교수는 “이 연구는 초고속 레이저의 편광을 조절하여 수백 펨토초라는 짧은 시간 동안 물질의 두 엑시톤 에너지를 선택적으로 제어하는 기술을 개발한 것이다. 펨토초 스위치, 광센서, 초고속 광통신 등에 적용되어 무인자동차, 로봇공학, 의료, 군사기술 등에 응용될 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
□ 이 연구성과는 미래창조과학부․한국연구재단의 기초연구사업(개인연구), 기초연구실육성사업, 글로벌프론티어지원사업의 통해 이루어졌으며, 국제적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 18일자에 게재되었다.
<참고자료> : 1. 논문의 주요내용
2. 연구결과 개요
3. 연구이야기
4. 용어설명
5. 그림설명
논문의 주요 내용
□ 논문명, 저자정보
- 논문명 : Selectively tunable optical Stark effect of anisotropic excitons in atomically thin ReS2
- 저자 정보 : 최현용(연세대학교, 교신저자), 심상완 (연세대학교, 공동제1저자), 이도언 (연세대학교, 공동제1저자), 노민지 (연세대학교, 공동저자), 차순영 (연세대학교, 공동저자), 소찬호 (연세대학교, 공동저자), 성지호 (포항공과대학교, 공동저자), 조문호 (포항공과대학교, 공동저자)
□ 논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
○ 그래핀은 높은 전기 전도도를 가짐에도 불구하고 트랜지스터 및 광 응용에 필수적인 에너지 밴드갭*이 존재하지 않는 등 여러 응용분야에서 한계점이 있다. 이후 높은 전기 전도도와 에너지 밴드갭을 가지는 원자두께 전이금속 디칼코게아니드 (Transition metal dichalcogenide, 이하 TMD)가 발견되었다. TMD는 뛰어난 반도체 특성과 독특한 양자적 자유도를 가져 반도체 소자, 광전자 소자, 밸리트로닉스 소자 등의 응용 등에 있어 현재에도 세계적으로 활발한 연구 진행되고 있다.
*밴드갭 : 전도대 맨 아래 부분의 에너지 준위와 가전대 맨 위 부분의 에너지 준위간의 에너지 차이를 말하는 것으로 밴드갭보다 큰 에너지의 빛을 물질에 비추면 광전자가 만들어져 광전류가 흐르게 된다.
○ T원자두께 TMD 물질은 여러 종류가 있다. 특히 그룹 VI와 그룹 VII 물질은 전기광학적 특성이 우수하다. 현재 학계에서는 이황화몰리브덴, 이황화텅스텐 등으로 대표되는 그룹 VI TMD이 주된 연구 대상이었으나, 최근 이황화레늄과 같은 그룹 VII TMD가 새로운 연구 대상으로 떠오르고 있다. 그룹 VI TMD 물질과 달리 그룹 VII TMD는 빛의 편광 방향에 따라 선택적으로 반응하는 여러 엑시톤 준위를 가지고 있어, 기존에 존재하지 않던 새로운 소자로의 응용 가능성을 가지고 있다. 예를 들어 에너지 준위 및 주파수 선택적인 광 제어가 가능한 원자두께의 투명/유연 초고속 소자의 제작이 가능하다. 그러나 최근까지 그룹 VI TMD에 대부분의 관심이 집중되다시피 하여 그룹 VII TMD의 이와 같은 우수한 기대효과가 제대로 검증되지 못하였다.
2. 연구 내용
○ 광 스타크 효과는 빛이 머리카락 하나를 지나는 시간인 수백 펨토초 (1 펨토초 = 1000조 분의 1초)의 짧은 순간 동안 고유한 엑시톤 에너지 준위를 변화시키는 현상이다. 양자우물, 양자점, 육각구조의 2차원 반도체 등 많은 물질에서 많은 연구가 이루어져 왔다. 그러나 서로 다른 에너지를 가지는 여러 에너지 준위를 선택적으로 제어할 수 있는 방법에 대한 해법은 찾아내지 못하고 있었다.
○ 이에 대한 해법으로 원자두께 그룹 VII TMD인 ReS2 물질을 도입하였다. 초단페 레이저 펄스의 전자기장 진동방향, 즉 편광 제어를 통해 서로 다른 에너지를 가지는 엑시톤 준위를 선택적으로 제어하였다.
○ ReS2의 에너지 준위를 조절하기 위해서는 이 물질이 흡수가 가능한 영역 밖의 파장을 갖는 빛을 조사해야 한다. 이 경우 빛은 흡수되지 않고 물질 내부를 통과하며 결맞음 상호작용을 한다. 이를 통해 엑시톤의 에너지 준위가 조절되는 것이다. 본 연구에서는 에너지 준위를 고속으로 제어하기 해당 파장을 갖는 팸토초 레이저 펄스를 주입하였다.
○ 에너지 준위가 움직였음을 확인하기 위해서는 이 이외에도 또 하나의 광 펄스를 물질에 주입해야 한다. 즉, 이 두 번째 펄스의 변화 정도를 통해 엑시톤 에너지 준위의 움직임이 일어났는지를 확인하는 것이다. 여기서 첫 번째 펄스와 두 번째 펄스의 순간적인 겹칩이 펨초토 시간 단위와 마이크로미터 영역의 공간에서 이루어져야 이러한 현상의 관찰이 가능하다. 이러한 상황을 구축하기 위해서는 많은 실험적 노하우가 필요하다.
○ 결과적으로 빛의 편광에 따라 엑시톤의 에너지 준위가 선택적으로 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 조사된 두 엑시톤에 대하여 빛의 편광이 첫 번째 엑시톤의 방향과 일치하는 경우 첫 번째 엑시톤만 움직임을 보였다. 마찬가지로, 빛의 편광이 두 번째 엑시톤과 일치하는 경우 두 번째 엑시톤만 제어가 되었다. 그리고 이러한 현상은 모두 펨토초 시간 단위에서 발생함을 확인할 수 있었다.
3. 연구 성과
○ 빛의 편광 제어 광 스타크 효과를 통해 두 개의 엑시톤 준위를 선택적으로 제어할 수 있게 됨으로써, 기존 전기적 신호로 ‘0’과 ‘1’의 논리제어를 하는 것을 뛰어 넘어 빛을 이용한 ‘0’과 ‘1’의 펨토초 논리제어를 할 수 있을 것으로 기대된다.
○ 또한 광 스타크 효과는 빛을 감지한 후 수백 펨토초 이내에 원상태로 돌아오기 때문에 기존의 어떠한 광센서보다 빠른 초고속 광센서로 응용될 수 있어 무인자동차, 로봇공학, 통신기기, 의료, 군사기술 등 분야에 응용될 것으로 기대된다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
ㅇ 2010년 노벨 물리학상의 주제인 그래핀은 최초로 발견된 원자두께의 물질로 뛰어난 전기적, 광학적 성질 때문에 과학자들의 많은 관심을 받았다. 그러나 그래핀은 높은 전기 전도도를 가짐에도 불구하고 트랜지스터 및 광응용에 필수적인 에너지 밴드갭이 존재하지 않는 등 여러 응용분야에서 한계점을 드러내어 과학자들은 다른 종류의 원자두께 물질을 찾기 시작하였다. 이후 높은 전기 전도도와 에너지 밴드갭을 가지는 원자두께 전이금속 디칼코게아니드 (Transition metal dichalcogenide, 이하 TMD)가 발견되어 이에 대한 연구가 많은 주목을 받아 왔다. TMD는 뛰어난 반도체 특성과 독특한 양자적 자유도를 가져 반도체 소자, 광전자 소자, 밸리트로닉스 소자등의 응용 등에 있어 현재에도 세계적으로 활발한 연구 진행되고 있다.
ㅇ TMD 물질은 여러 종류로 나뉘는데, 특히 그룹 VI와 그룹 VII 물질이 우수한 전기광학적 특성 덕분에 큰 관심을 받고 있다. 현재 학계에서는 이황화몰리브덴, 이황화텅스텐등으로 대표되는 그룹 VI TMD이 주된 연구 대상이었으나, 최근 이황화레늄과 같은 그룹 VII TMD가 새로운 연구 대상으로 떠오르고 있다. 그룹 VI TMD 물질과 달리 그룹 VII TMD는 빛의 편광 방향에 따라 선택적으로 반응하는 여러 엑시톤 준위를 가지고 있어, 기존에 존재하지 않던 창의적인 반도체 소자로의 응용 가능성을 가지고 있다.
ㅇ 예를 들어 빛의 편광 제어를 통해 물질의 흡수율 및 에너지 준위 등의 변화를 조절하는 것이 가능하다면 현재까지는 레이저를 통한 초고속 정보 제어 등이 가능하다. 그러나 이와 같은 중요성에도 불구하고 그룹 Ⅶ TMD 물질에 대한 연구는 매우 부족한 상태이다. 특히 빛의 편광 방향에 따라 선택적으로 빛과 반응하는 성질은 아직 기초적인 범위에서만 연구가 진행된 상태이다.
2. 연구내용
ㅇ 광 스타크 효과는 빛이 머리카락 하나를 지나는 시간인 수백 펨토초 (1 펨토초 = 1000조 분의 1초)의 짧은 순간 동안 고유한 엑시톤 에너지 준위를 변화시키는 현상으로, 양자우물, 양자점, 육각구조의 2차원 반도체 등 많은 물질에서 많은 연구가 이루어져 왔다. 그러나 서로 다른 에너지를 가지는 여러 에너지 준위을 선택적으로 제어할 수 있는 방법에 대한 해법은 찾아내지 못하고 있었다.
ㅇ 이에 대한 해법으로 원자두께 그룹 VII TMD인 ReS2 물질을 도입하였다. 초단페 레이저 펄스의 전자기장 진동방향, 즉 편광 제어를 통해 서로 다른 에너지를 가지는 엑시톤 준위를 선택적으로 제어하였다.
ㅇ 이 연구에 사용된 ReS2 물질에는 중요한 두 개의 엑시톤 준위가 존재한다. 중요한 것은 이들 두 엑시톤 준위가 각기 다른 빛의 편광에만 반응한다는 사실이다. 입사하는 초단파 레이저 빛의 편광이 첫 번째 엑시톤의 방향과 일치할 때에는 첫 번째 엑시톤에서만 광 스타크 효과를 일으켰고, 초단파 레이저 빛의 편광이 두 번째 엑시톤의 방향과 일치할 때에는 두 번째 엑시톤만 선택적으로 광 스타크 효과를 일으킴을 관측하였다. 즉, 편광 제어 광 스타크 효과를 이용하여 에너지가 다른 두 엑시톤 준위를 빛이 머리카락 하나를 지나는 짧은 시간동안 선택적으로 제어 하는데 세계 최초로 성공하였다.
3. 기대효과
ㅇ 빛의 편광 제어 광 스타크 효과를 통해 두 개의 엑시톤 준위를 선택적으로 제어할 수 있게 됨으로써, 기존 전기적 신호로 ‘0’과 ‘1’의 논리제어를 하는 것을 뛰어 넘어 빛을 이용한 ‘0’과 ‘1’의 펨토초 논리제어를 할 수 있을 것으로 기대된다.
ㅇ 또한 광 스타크 효과는 빛을 감지한 후 수백 펨토초 이내에 원상태로 돌아오기 때문에 기존의 어떠한 광센서보다 빠른 초고속 광센서로 응용될 수 있어 무인자동차, 로봇공학, 통신기기, 의료, 군사기술 등 분야에 응용 가능성이 클 것으로 기대된다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
본 연구는 2016년 1월부터 시작하였다. 최근 원자두께 물질 분야에서 새로운 광학적 특성을 발견하고자 하는 관심이 급증한 것과 동시에 기존의 광센서들을 넘어선 초고속 반도체 센서를 제작하고자 하는 계기로 본 연구를 시작하게 되었다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
연구책임자인 최현용 2011년 연세대학교 부임 이래로 지난 6년간 자체적인 초고속 펨토초 레이저 시스템과 분광법 측정 시스템을 구축해 왔다. 이 연구는 그동안 쌓아온 펨토초 레이저 분광법에 대한 노하우를 집약하여 진행하였다. 이와 더불어 지난 2년간 초박막 샘플 제작 및 소자 공정 시스템에 많은 시간과 연구비를 투자를 하여, 이번 연구에서는 자체적으로 제작한 초박막 샘플을 이용하여 실험을 할 수 있었다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
처음 측정하고자 하는 샘플은 원자 두 층짜리 박막으로 측정되는 신호의 크기가 매우 작아서 측정할 때 고생을 하였고 신호를 해석하는데 어려움이 있었다. 이와 관련하여 논문 심사 과정에서도 측정된 신호의 크기가 지나치게 작다는 것 지적에 대한 답변을 쉽게 할 수 없었다. 이에 해결하기 위해 조금 더 두꺼운 박막의 샘플을 제작하고 실험 온도를 변화시키는 등 여러 시도를 한 끝에 만족할만한 데이터를 얻을 수 있었고, 그 결과 리뷰어를 만족시켜 논문 심사를 통과할 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
기존 광 스타크 현상은 한 개의 에너지 준위를 제어하는 데에 국한되어 실제적인 광소자 제작의 한계가 있었다. 그러나 이번 연구는 에너지가 다른 엑시톤 준위에 대하여 선택적으로 광 스타크 효과 일으켰고, 이를 이용하면 빛의 주파수에 따라 선택적인 제어가 가능한 초고속 광소자 제작이 가능하다는 것에 차별성이 있다
□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?
근적외선 영역보다 에너지가 낮은 테라헤르츠 파를 이용하여 ReS2 단일 박막의 엑시톤 준위를 분석하고자 한다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
데이터 측정 시 데이터의 일관성을 위해서 며칠을 밤새며 연속적으로 찍어야 했다. 두 명의 공동1저자가 데이터 측정을 교대로 일주일 가까이 2교대로 쉼 없이 실험을 하였는데 지금 생각해도 매우 힘든 과정이었다.
용 어 설 명
1. 네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications) 誌
○ 네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)는 과학, 기술 분야 최상위 학술지중 하나로 2010년부터 출판되었으며, 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 종합 과학 분야 (Multidisciplinary Sciences) 학술지 중 3위에 해당하는 영향지수 (impact factor 11.329)를 가지고 있다.
2. 광 스타크 효과 (Oprical Stark effect)
○ 에너지 밴드갭 (Band gap)을 가지는 반도체에 밴드갭 보다 낮은 에너지를 가지는 강한 빛을 입사하면 빛의 흡수가 일어나지 않는다. 그러나 빛과 물질의 결맞음 상호작용에 의해 순간적으로 에너지 준위가 벌어지게 되는데, 이를 광 스타크 효과라 한다.
3. 엑시톤
○ 반도체 물질이 빛을 흡수하였을 때 그 에너지가 자유전자와 정공 쌍을 만들게 되는데, 이 전자와 정공이 강한 인력으로 결합하여 만들어지는 입자를 엑시톤이라 한다. 태양 전지, 광 탐지기 등의 여러 광전자 소자를 동작시킬 때 매우 중요한 역할을 하는 핵심 입자이며, 엑시톤에 의한 광학적 특성은 원자 두께의 물질에서 더욱 두드러지게 나타난다.
4. 펨토초 레이저 시스템
○ 초고속 레이저 펄스를 생성하는 레이저 시스템으로서, 펨토초 (1000조 분의 1초) 단위의 펄스폭을 갖는 빛을 발생시킬 수 있다.
5. 초고속 광학적 분광법
○ 펨토초 레이저 펄스를 이용하여 물질 내에서 일어나는 매우 빠른 광전자 현상을 측정하는 기술로, 최 교수 연구 팀은 이를 통해 광 스타크 효과를 관측하였다.
그 림 설 명
<그림> 원자두께 ReS2 및 실험 모식도 (왼쪽), 초단파 레이저의 편광을 이용한 엑시톤 에너지 준위의 선택적 제어 (오른쪽)
원자두께 이황화레늄은 특정한 방향으로 원자배열의 결이 있어 빛의 편광에 따라 각기 다른 엑시톤이 반응한다. 오른쪽 그림과 같이 엑시톤의 에너지 준위는 초단파 레이저의 편광을 이용하여 선택적으로 제어할 수 있다.