차세대 반도체 소자 물질로 각광받고 있는 이차원 나노 물질¹⁾에서 전하가 움직이는 원리를 발견함에 따라, 이차원 물질을 활용한 태양전지, LED, 트랜지스터 등의 소자 응용 연구를 위한 이론적 기반을 마련하게 됐다. 

1) 이차원 나노 물질: 작은 원자가 한 겹으로 배열되어 있는 물질로, 얇고 잘 휘면서 단단한 특성을 갖고 있어 트랜지스터는 물론 태양전지, 디스플레이 등에 적용하기 위한 연구가 활발함

한국기초과학지원연구원(원장 이광식, 이하 기초지원연) 연구장비개발사업단 스핀공학물리연구팀의 방준혁 박사는 접합²⁾된 서로 다른 2개의 이차원 나노 물질 간 양자역학적 전하 이동 원리를 최초로 규명하고 전하의 빠른 이동 원인³⁾을 밝혀냈다.

2) 물질의 전기적 특성을 조절하여 전기소자에 응용하기 위해 두 반도체 물질을 접합하는 이종 접합 구조를 널리 사용하고 있음
3) 이종 접합 된 이차원 물질의 경우 두 물질 간 간극이 매우 넓은데도 전하의 이동 속도가 매우 빠른 것으로 알려졌는데 그 원인은 불분명한 상태였음

이번 연구에서 방 박사팀은 이차원 물질인 이황화몰리브덴(MoS2)과 이황화텅스텐(WS2)의 이종 접합 구조에서 두 물질 간 빠른 전하 이동이 양자역학적인 중첩(superposition) 효과에 의한 것임을 확인했다. 

이황화몰리브덴을 빛으로 자극 하면 활성화 된 전자와 전자의 빈자리인 정공이 생기는데, 활성화 된 전자는 이황화몰리브덴 내에 머물지만, 정공은 순간적으로 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐에 양자역학적으로 동시에 존재하다가 상대적으로 안정한 위치인 이황화텅스텐에 고정되게 된다.

이처럼 이종 접합된 이차원 물질 간에는 간극이 넓어 전하이동 속도가 느려져야 함에도 불구하고, 빠른 전하 이동이 나타나는 것은 정공이 양 쪽 물질에 동시에 존재할 수 있는 양자역학적 상호작용에 의한 현상임을 이론적 계산을 통해 규명한 것이 이번 연구의 핵심이다.

이번 연구결과는 미국 렌셀러 폴리테크닉대학교(Rensselaer Polytechnic Institute) 연구팀과의 공동연구 결과로, 〈네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)〉지의 5월 10일자 온라인판에 논문명 'The role of collective motion in the ultrafast charge transfer in van der Waals heterostructures, IF=11.47'으로 게재됏다.

한국기초과학지원연구원의 방준혁 박사는 “물질 내 전하 이동 원리는 소자 응용뿐만 아니라 다양한 물리적, 화학적 현상을 이해하는데 기초가 되는 원리”라며, “새로 발견된 이론적 기초 원리는 향후 이차원 물질 연구 개발뿐만 아니라, 광합성, 물 분해 과정 등 생명 및 화학 현상 연구에 있어서도 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.