조문호 부연구단장 연구팀은 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐의 결정 방향을 조절해 일치시키는 방식으로 가시광선을 흡수하거나 방출시킬 수 있는 특성을 구현했다. 2 차원 소재의 광학적 특성을 제어할 수 있는 단서를 얻은 것으로 향후 2 차원 발광체나 레이저, 광검출기 등 고성능 광소자로 활용할 수 있는 실마리를 얻은 것이다.

2 차원에서 원자의 층은 여러 개로 이뤄져 있는데 단일한 원자층으로 존재할 때 기존과 다른 새로운 물리적 현상을 관찰할 수 있다. 탄소 원자 한 개의 층으로 이뤄진 그래핀이 대표적인 사례다. 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐도 단일 원자층을 만들 수 있는 층으로 이뤄진 화합물이다. 단일한 원자층으로 이뤄진 이황화몰리브덴(MoS2)과 이황화텅스텐(WS2)은 전자 구조 변화에 따라 밴드갭이 발생하는 특성이 있어 도체와 부도체를 오갈 수 있다. 때문에 차세대 반도체 소재로의 활용하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

2 차원 소재는 각자의 결정 방향이 있다. 각기 다른 두 원자층의 소재를 종이를 쌓듯 층층이 쌓으면 방향에 따라 상호작용이 달라진다. 결정방향이 일치하면 상호작용이 강해지면서 전자나 광소자로 활용할 수 있는 가능성이 커진다. 특히 나노미터 수준의 아주 얇은 두께에도 불구하고 빛의 10% 이상을 흡수할 수 있어 광소자로 활용할 가능성도 높일 수 있다. 연구팀은 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐의 원자층 간 회전각도를 일치시키는데 성공했다.

연구팀은 지금까지 각 단일층의 재료를 기계적으로 분리해 적층구조를 만든 것과 달리 대면적 화학기상증착법을 이용했다. 화학기상증착법은 고온에서 물질에 열을 가할 때 발생하는 화학반응으로 기판에 원하는 소재를 합성하는 방법이다. 이 방법을 이용하자 원자층 간 회전각도가 0도가 되면서 결정 방향이 정확히 일치했다. 전자의 전달 효율이 높다는 점도 확인했다.

조문호 부연구단장은 "두 원자층 간 결정 방향을 조절하면 새로운 파장의 빛을 흡수하고 방출하는 특성을 제어할 수 있음을 최초로 규명한 것"이라며 "앞으로 다양한 광물리 현상 연구가 가능할 것으로 기대된다"고 말했다. 오정연 기자

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