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서강대 연구팀, '2차원 반도체 內 암흑 물질 관측, 주요 효과 규명'

등록 2021.11.26 21:36:21

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기사내용 요약

물리학과 장준익·정명화 교수 공동연구팀, JACS 誌에 논문 게재

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[서울=뉴시스] '바이엑시톤발광 모식도'와 '발광 스펙트럼 및 결합에너지분석 과정'(사진=서강대 제공) *재판매 및 DB 금지


[서울=뉴시스]김광주 인턴 기자 = 서강대학교(총장 심종혁)는 지난 19일 물리학과 장준익 교수 연구팀과 정명화 교수 연구팀의 공동연구 성과가 미국화학회지 'Journal of the American Chemical Society(JACS)'에 게재됐다고 26일 밝혔다. 연구는 한국연구재단의 기초연구 지원으로 수행됐다.

공동연구팀이 수행한 연구는 LED의 구동 원리와 관련 있다. LED의 구동 원리는 엑시톤의 붕괴를 통해 나오는 발광 현상에 기반하는데, 전자와 양공의 스핀이 반대로 결합된 '비발광 엑시톤'은 빛과 상호작용을 하지 않는 '반도체 내부에 존재하는 암흑물질'과 같은 입자이다. 그런데 이 '비발광 엑시톤'의 존재 및 뚜렷한 효과에 대해 그간 명확한 이해가 부족했다.

앞서 학계에서는 바이엑시톤의 결합 에너지가 엑시톤 발광 에너지와 바이엑시톤 발광 에너지의 차이로 결정되는 것으로 알려져 있었다. 하지만 이러한 추론을 적용하려면 바이엑시톤이 높은 온도에서 안정된 상태로 존재해야 하는데, 상온에서 관측되지 않은 결과는 알 도리가 없었다.

이에 정명화 교수팀은 '자성 원소가 치환된 고품질의 2차원 할로겐 페로브스카이트 제작 및 기본 특성'을 분석했다. 할로겐 페로브스카이트는 차세대 태양 전지 및 LED 발광 소자로 주목받고 있는 반도체이다. 특히 2차원 상의 할로겐 페로브스카이트는 강한 양자 가둠 효과가 일어나며 엑시톤이 상온에서도 매우 안정된 상태로 존재한다.

장준익 교수팀은 '정밀 광 발광 분광학' 기법을 이용해 할로겐 페로브스카이트 단결정 내부에서 일어나는 바이엑시톤 형성 및 붕괴 과정을 입사광의 편광, 세기 및 물질의 온도의 함수로 정밀 측정 및 분석했다. 2개의 엑시톤이 서로 결합한 바이엑시톤은 2차원 할로겐 페로브스카이트에서 발광 현상을 통해 극저온에서만 명확하게 관측됐다.

두 교수의 공동연구팀은 부분적 대칭성 붕괴로 인한 다크 엑시톤의 부분적 발광을 관측했다. 그 결과, 기존의 학설과 달리 바이엑시톤은 2개의 발광 엑시톤의 결합으로 생성되지 않고 2개의 다크 엑시톤의 결합으로 생성된다는 것이 밝혀졌다.

나아가 다크 엑시톤을 고려해 계산한 바이엑시톤의 결합 에너지는 기존의 알려진 값들에 비해 매우 작다는 것을 증명했다. 이를 통해 바이엑시톤이 상온에서 불안정성을 띄는 이유를 설명했다.

장준익 교수는 "본 연구는 2D 할로겐 페로브스카이트뿐만 아니라 모든 반도체 내에서 일어나는 바이엑시톤 생성 원리에 대한 기초 과학적 지식을 정립하였고, 비록 다크 엑시톤이 전혀 관측되지 않는 물질에서도 바이엑시톤 결합에 다크 엑시톤이 직접적으로 영향을 준다는 것을 증명했다는 데 의의가 있다"고 말했다.


◎공감언론 뉴시스 kj961009@newsis.com

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