숙명여자대학교 지능형전자시스템학부 차순영 교수 연구팀이 전기장을 이용해 이차원 반도체에서 형성되는 ‘층간 엑시톤(interlayer exciton)’의 관측 원리를 설명하는 새로운 물리 메커니즘을 규명했다.

13일 숙명여대에 따르면 이차원 반도체는 차세대 광전자 소자와 양자 정보 기술의 핵심 소재로 꼽힌다. 두 층으로 이뤄진 구조에서는 전자와 정공이 서로 다른 층에 존재하는 ‘층간 엑시톤’이 형성될 수 있다. 엑시톤은 반도체 내부에서 전자와 정공이 결합해 형성되는 준입자다.

층간 엑시톤은 수명이 길고 외부 전기장으로 에너지를 조절할 수 있어 다양한 광전자 응용 가능성이 제시돼 왔다. 그러나 전자와 정공이 서로 다른 층에 존재해 빛과의 상호작용이 매우 약해 광학적으로 관측하기 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 이차원 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe₂) 두 층 구조에 전기장을 가하면서 광학 스펙트럼을 정밀 측정했다. 그 결과 일반적으로는 거의 보이지 않는 층간 엑시톤 신호가 전기장을 가할수록 점차 강해지는 현상을 확인했다.

기존 연구에서는 이러한 현상을 두 종류의 엑시톤 상태가 섞이는 ‘엑시톤 혼성화’로 설명해 왔다. 그러나 연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산과 엑시톤 모델링을 결합한 분석을 통해 새로운 메커니즘을 제시했다.

전기장이 가해지면 한 층에 존재하던 정공의 파동함수가 다른 층으로 일부 이동하고, 이 과정에서 층간 엑시톤이 한 층에 가둬진 엑시톤과 양자 중첩 상태를 형성한다. 그 결과 빛과의 상호작용이 증폭되면서 원래 ‘어두운 상태(dark state)’에 가까웠던 층간 엑시톤이 ‘밝은 상태(bright state)’처럼 관측된다는 것이다.

연구팀 계산 결과 이러한 정공 이동 메커니즘이 층간 엑시톤 밝기 증가를 충분히 설명하는 것으로 나타났다. 기존의 엑시톤 혼성화 설명은 상대적으로 기여도가 작은 것으로 분석됐다.

차순영 교수는 “이번 연구는 층간 엑시톤이 단순한 상태 혼합이 아니라 전하 파동함수의 양자 중첩 상태에 의해 결정된다는 사실을 보여준다”며 “이차원 반도체 기반 광전자 소자와 양자 물리 연구의 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 미국 UC 리버사이드와 카네기멜런대, 중국 난징대, 대만 국립성공대, 일본 국립재료과학연구원(NIMS) 연구진과 공동으로 수행됐다. 연구 성과는 미국물리학회가 발행하는 물리학 학술지 ‘Physical Review Letters’ 3월 6일자에 게재됐다.