반데르발스 나노 와이어 활용한 전하 이동·발광 국소적 제어 실현

나노 분야 권위 학술지 ‘ACS Nano’ 게재 성과

▲(사진 왼쪽부터) 신내철 화학공학과 교수, 송혁진 스마트디지털엔지니어링 전공 석사과정 졸업생, 지수민 바이오메디컬사이언스엔지니어링 전공 석사과정 졸업생.

신내철 화학공학과 교수 연구팀이 새로운 2차원 반도체 기반 헤테로구조 엔지니어링 방법을 제시했다.

신내철 교수는 송혁진 스마트디지털엔지니어링 전공 석사과정 졸업생, 지수민 바이오메디컬사이언스엔지니어링 전공 석사과정 졸업생과 함께 이 같은 결과물을 만들어냈다.

연구팀은 2차원 결정 구조를 가지는 반데르발스(van der Waals·vdW) 반도체 소재들로 구성된 헤테로구조에서 계면 원자 엔지니어링을 통해 전하의 이동 및 엑시톤(exciton) 발광 특성을 국소적으로 제어할 수 있는 새로운 방법론을 제시했다.

차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 2D 반도체 소재는 다른 소재끼리 접촉시켜 헤테로구조를 형성하면 계면에서 전자의 에너지 구조가 변해 전하의 이동 및 발광 특성을 제어할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이를 위해 지금까지는 2D 반도체를 면끼리 적층시키는 방법이 흔히 사용됐지만 접합부가 면으로 형성되기 때문에 계면에서 광전기적 특성을 나노 크기의 좁은 영역에서 제어하는 것에 어려움이 많았다.

연구팀은 반데르발스 반도체 소재를 1D 나노와이어(nanowire) 구조로 만들고, 이를 2D 소재와 통합해 새로운 1D·2D 혼합 차원 반데르발스 헤테로구조를 도입했다.

반데르발스 반도체 소재 중 하나인 아이오딘화 납(PbI2)을 기체·액체·고체(vapor·liquid·solid) 방법을 활용해 나노와이어 형태로 결정 성장시키고, 적층 방향이 나노와이어 축에 대해 수직·수평하게 되도록 조절해 측면 결정면의 방향을 제어했다.

이러한 나노와이어를 2D 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)에 접촉시켜 나노와이어 방향에 따라 달라지는 계면 원자 배열구조의 차이를 이용하여 전하 이동 및 그에 따른 계면 발광 특성의 차이를 관찰했다.

연구 결과 축방향에 수평 적층된 나노와이어는 통상적인 면대면 접합구조와 유사하게, 헤테로 계면에서 발광 소광(消光·quenching)이 강하게 나타나는 특성을 보였다. 반대로, 수직 적층된 나노와이어는 계면에 대해 결정층의 모서리가 접합해 있어, 효율적인 전하 이동을 보이며 적색 편이된 발광을 나타내면서도 상온에서도 발광세기가 유지된다는 사실을 확인했다.

이번 연구는 한국연구재단의 신진중견연계연구지원사업을 통해 수행됐다.

‘혼합차원 반데르발스 헤테로구조 계면 원자 구조 제어를 통한 엑시톤 발광’(Contact Geometry- Dependent Excitonic Emission in Mixed-Dimensional van der Waals Heterostructures)이라는 제목으로 나노 소재 분야에서 권위 있는 미국화학회(American Chemical Society) 저널인 ‘ACS Nano’ (2023년 기준 Impact Factor: 15.8) 온라인판으로 최근 게재됐다. 또한 이번 연구는 신내철 교수 연구팀의 주도(단독교신)로 수행돼 결실을 얻었다는 점에서 의미가 크다.

신내철 화학공학과 교수는 “이번 연구는 나노와이어 측면의 원자 배열 구조를 활용해 반데르발스 반도체 소재로 구성된 헤테로구조에서 전하 전달 특성과 발광 제어를 실현한 최초의 사례”라며 “전자·광전자(optoelectronics) 분야에 대한 다양한 응용 가능성을 열어줄 것으로 기대한다”고 말했다.