[박경덕교수 연구실] 광도파로로 극성반도체입자 능동제어 및 물리적 개념 정립

 caption: 플라즈모닉 광도파로를 이용해 TMD 단일층에 존재하는 극성반도체입자를 상온에서 고순도로 만들고 적응광학 기술을 결합하여 능동제어하는 모식도. 

제목: [박경덕 교수] 광도파로로 극성반도체입자 능동제어 및 물리적 개념 정립 

반도체 물질에 빛을 쏴주면 ‘엑시톤(Exciton)’이 생성된다. 엑시톤은 전자와 양공1)이 결합된 입자로서, 전기적으로는 중성인 상태다. 엑시톤에 전자 하나가 더 결합되면 ‘극성반도체입자(Trion)’가 된다. 두 입자 모두 차세대 광통신 소자와 태양 전지에 활용되지만 극성반도체입자는 전기장으로 제어가 가능하고 쉽게 결합이 풀려 실질적인 소자 응용에 더 이점이 있다.

이 연구는 극성반도체입자를 생성하기 위해 폭이 약 200 나노미터(10-9m)인 ‘나노 플라즈모닉 광도파로(plasmonic waveguide)’를 사용했다. 플라즈모닉 광도파로는 빛을 자유전자의 공명 현상인 ‘플라즈몬(plasmon)’ 형태로 바꾸어 파장보다 작은 공간에 강하게 가둔 뒤 원하는 곳으로 이동시키는 구조이다. 광도파로 위에 이차원 반도체물질을 전사하면 광도파로의 홈을 따라 이차원 반도체가 늘어지게 되는데, 이 때 빛을 쏘아주면 반도체 내에 생성된 엑시톤은 깔때기에 물을 부은 것처럼 광도파로 중심에 모이게 된다. 이와 동시에, 광도파로의 플라즈몬은 높은 에너지를 갖고 있어 광도파로의 금속에 있는 전자를 반도체로 이동시키고, 이때 이동한 많은 양의 전자가 엑시톤과 함께 광도파로 중심으로 모이게 되어 결합하여 극성반도체입자가 생성되는 것이다. 또한 위 연구는 적응광학과 나노광학을 결합한 공간 빛 제어기술을 이용하여 극성반도체입자가 생성되는 위치를 제어하는 데 성공했는데, 이 기술을 이용하여 플라즈모닉 광도파로 내 원하는 위치에 플라즈몬을 만들고, 극성반도체입자가 생성되는 위치 역시 제어할 수 있었다. 

이번 연구는 ‘전기’가 아닌 ‘빛’에 의해 진행되었다는 점에서 큰 의의가 있다. 빛이 이동하는 길을 통해 광학 소자 개발에 대한 해답을 찾은 것이다. 또, 엑시톤과 극성반도체입자 같은 입자를 연구하는 ‘엑시토닉스’와 플라즈몬을 탐구하는 ‘플라즈모닉스’ 등 다양한 분야를 결합했다는 점도 주목할만하다. 이번 성과는 극성반도체입자 기반 광학 소자를 효율적으로 제어하고, 고효율의 에너지 광변환 소자를 개발하는 데 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 

물리학과 박경덕 교수 · 통합과정 이형우 씨, 삼성전자 주혁 부사장, 전북대 이홍석 교수 공동 연구팀이 주도한 이번 연구는 국제학술지 Nature Communications에 최근 개제됐다.