2D 반도체를 이용한 연구
제네바 대학과 맨체스터 대학의 공동 연구팀은 수 원자만큼 두꺼운 2D 재료의 헤테로 구조를 사용하여 임의의 색상을 방출 할 수 있는 반도체 장치를 만드는 방법을 고안했습니다. 연구 결과는 2020 년 2 월 3 일 Nature Materials에 발표되었으며, 전이 금속 칼 코겐 화물과 같은 2D 재료를 결합 및 적층하고 조합 및 화학 성분으로 에너지 레벨을 제어하여 다양한 파장의 색상 방출을 방출합니다.(여기서 말하는 2d 물질이란 매우 얇은 물질을 의미합니다. 대표적으로 테이프에 흑연을 묻히고 이를 여러번 뗐다 붙혔다를 반복하면 생기는 그래핀이 있습니다)
광반도체는 통신, LED 및 의료 진단을 포함한 광범위한 분야에서 사용됩니다. 이 발광 현상은 전자가 반도체에서 더 높은 에너지 준위에서 더 낮은 에너지 준위로 점프 할 때 발생하며 방출 색상 또는 파장은 에너지 준위의 차이에 의해 결정됩니다. 최근에는 그래 핀과 같은 2D 물질을 이용한 발광 재료에 대한 연구도 진행되어 왔으며, 전이 금속 칼 코겐 나이드MoS2 및 MoSe 2가 단일 원자 층으로 얇아지면 에너지 준위 사이의 점프가 운동량 변화없이 직접 전이가되어 발광 효율이 증가하는 것으로 알려져 있습니다.
연구팀은 다중 전이금속 칼코겐화물 2D 재료를 적층한 헤테로구조를 이용하여 원하는 색상을 방출할 수 있는 소자를 개발하는 도전에 나섰다. 반 데르 발스 힘에 의해 연결된 이종 구조에서는 초고속 전하 이동에 의해 전자와 정공이 공간적으로 2 층으로 분리 된 층간 엑시톤이 알려져 있으며 광전자 효과가 나타납니다. 이러한 "인공 반도체"의 장점은 구성 물질, 화학 조성 및 두께의 조합을 변경함으로써 에너지 준위 및 발광 파장을 제어 할 수 있다는 것입니다.
연구팀은 전도대의 최소점과 하전된 대역의 최대점이 모두 파수가 0인 에너지 대역의 2D 결정 조합에 초점을 맞췄다. 이러한 결정을 적층한 결과, 파수, 즉 전자의 운동량을 변화시키지 않고 직접 전이에 의해 강하게 빛을 방출하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 결정 격자 상수, 라미네이트 간의 상대 편차 및 회전과 같은 불일치에 덜 취약하다는 것이 명확 해졌습니다.
연구에 사용 된 재료에는 MoS 2, MoSe 2, WS2 칼코겐화물 및 InSe와 같은 다양한 전이 금속이 포함됩니다. 다른 잠재적 인 재료가 확인되었으며, 다양한 조합을 가진 새로운 인공 반도체의 건설은 넓은 지역에서 방출되는 색상을 확장 할 수 있다고 생각됩니다. 또한, 이종 구조 생성에 대한 엄격한 조건이 완화되기 때문에 소자 제조의 자유도가 크게 높아질 것으로 기대되며, 고도의 실용화 기술로 발전 할 가능성이있습니다.
2D 반도체에 대한 개인적 견해
이처럼 2D 반도체에 대한 연구는 계속해서 진행되고 있습니다. 실리콘 기반의 기존 반도체들의 집적도 향상이 한계에 봉착했으며 연구진들은 계속해서 실리콘을 대체할 신물질또는 기술에 대해서 연구하고 있습니다. 2D 반도체는 전류 특성이 매우 좋으며 웨어러블 디바이스 같은 미래의 제품들에 사용되기에 적합한 구조를 가지고 있습니다. 아직은 대량생산이 불가하다는 비용적, 기술적 한계가 존재하지만 이를 극복한다면 2D반도체는 우리 미래를 바꿀 새로운 신기술이 될거라고 생각합니다.(이는 정보와 생각을 기록하기 위한 개인적인 글 입니다)
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