에너지과학과 양희준 교수 연구팀,
2차원 소재‧소자의 양자역학적 상호 작용 규명하다
- 미래 소자 응용이 가능한 2차원 소재 양자역학적 밴드갭 제어 구현
- 원자 층간 전기적 상호 작용을 활용한 초절전 양자 터널링 트랜지스터 개발

에너지과학과 양희준 교수 연구팀은 2차원 적층 소재에 존재하는 슈타르크 효과(Stark effect)를 활용하여 양자역학적 밴드갭 제어 및 초절전 트랜지스터를 개발했다고 밝혔다. 

연구팀은 기존의 실리콘 기반 소재에 활용되던 광학적, 전기적 방법은 원자층 두께의 2차원 소재에 존재하는 여러 양자역학적 상호 작용 및 밴드갭을 정확하게 규명할 수 없다는 이슈에 주목했다. 최근 활발히 연구되고 있는 2차원 소재 기반 소자들은 근사적이고 이론적인 물성에 의존한 불완전한 연구가 진행 중이었다.

연구팀은 원자 격자 각도 제어를 통한 시료 적층 공정 및 양자역학적 공명 터널링 현상을 활용하여 기존 분광학적 방법으로는 측정할 수 없는 2차원 반도체 소재의 전기적 특성을 정확하게 측정할 수 있었다.

[그림1] 두 원자층 안에 존재하는 에너지, 운동량이 같은 전자들이 공명 터널링하는 소자(왼쪽 위 그림)와 원자 단위 현미경 사진(왼쪽 아래 사진), 그리고 붉은색 화살표로 나타낸 공명터널링 개념도(오른쪽 그림). 위와 같은 소자에서 원자 단위 적층 구조에서 강한 전압이 걸릴 경우 발생하는 슈타르크 효과를 관측할 수 있었다.

본 연구에 적용된 핵심적인 원리인 슈타르크 효과(Stark effect)는 1914년 요하네스 슈타르크에 의해 보고된 후 1919년 노벨물리학상을 받았으나, 지금까지 전기적 방법으로 소자 단위에서 측정 및 규명된 바 없었다. 본 연구는 슈타르크 효과가 크게 발현될 수 있는 2차원 적층 구조에서 전기적 방법으로, 직접 슈타르크 효과를 관측 및 활용한 최초의 연구라는 의미가 있다.

양희준 교수(교신저자)는 “이번 연구는 기초물리학 연구를 통해 4차 산업혁명을 대비하는 핵심 미래 소자로 주목받는 2차원 소재 기반 소자의 정확한 동작 설계와 공정 방향을 제시하였다”고 밝혔다. 

본 연구는 삼성전자 미래기술육성센터 지원을 통해 수행되었으며, 세계적(JCR상위 1.7%) 국제학술지 어드밴스트 머티리얼스(Advanced Materialsl)에 2월 6일(목) 온라인 게재되었다.