*논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55135-8
본교 물리학과 소재필 교수가 미국 University of California, Irvine 남성우 교수, 서울대학교 박홍규 교수 연구팀과 함께 2차원 물질에 재구성 가능한 스트레인을 인가하여 구현한 엑시톤 수송 현상 제어 연구를 국제저명학술지 Nature Communications지에 발표하였다. Nature Communications는 Impact factor 14.7 (2023 JCR 기준)의 물리학 분야 (Physics and Astronomy) 상위 3% 학술지이며, 게재된 논문의 제목은 “Strained two-dimensional tungsten diselenide for mechanically tunable exciton transport”이다.
전이금속 디칼코게나이드(TMD)를 포함한 2차원 반데르발스 반도체는 지난 10년 동안 독특한 스핀-밸리 결합과 낮은 차원의 빛-물질 상호작용으로 인해 많은 주목을 받아왔다. 특히, 2차원 반도체에서 나타나는 전자-정공쌍인 엑시톤은 상온에서도 높은 결합에너지와 안정성을 보이며, 밸리트로닉스 및 단일광자 방출 등의 현상을 활용하여 다양한 양자정보기술에 응용될 수 있다. 위와 같은 특성을 바탕으로 엑시톤을 기반으로 한 초고속, 고효율의 광전자회로를 구성하기 위한 많은 연구가 이뤄지고 있지만, 2차원 엑시톤 소자 개발의 가장 중요한 요건은 정보 전송을 위한 엑시톤의 국소화 및 제어된 수송을 구현하는 것이다. 그러나 엑시톤의 전하 중립적 특성으로 인해 엑시톤의 전기적 변조는 지금까지 특정 유형의 엑시톤에서만 가능하다고 알려져 있었다. 따라서, 엑시톤을 조작하는 데 보다 보편적으로 적용할 수 있는 새로운 기술이 필요한 상황이다.
본 연구에서 소재필 교수와 공동 연구팀은 재구성 가능한 단일층 텅스텐 디셀레나이드(WSe2) 주름(wrinkle) 구조에서 효율적이고 제어 가능한 상온 엑시톤의 수송을 성공적으로 관찰하였다. 광학적으로 분해 가능하고 2.4%의 높은 국소 스트레인 변형을 갖는 WSe2 주름 구조에서 펌프-프로브와 시간 분해 광특성 측정을 통해 마이크로미터 스케일의 ‘엑시톤 깔대기’ 효과를 확인했다. 주름이 없는 WSe2 단일층에서는 엑시톤이 등방성으로 확산되는 반면, 주름 구조에서는 주름의 골짜기에서 꼭대기까지 방향성을 갖는 엑시톤이 2.5 um 거리까지 움직이는 현상을 관찰한 것이다. 이러한 관찰 결과는 이론적인 계산 결과와도 잘 일치하여 성공적인 스트레인 소자 모델을 수립할 수 있었다. 본 연구 결과는 엑시톤 위상 전이에 대한 엑시톤 수송 및 국소화를 탐구할 수 있는 기회를 제공할 뿐 아니라, 기계적으로 재구성할 수 있는 스트레인 양자 소자의 개발 또한 가능하게 한다. 이를 통해, 가변 자기성과 이방성 열전도도 등 새로운 기능성을 갖는 다양한 2차원 재료의 플랫폼을 구현할 수 있을 것이다.