Lee, Daesu Nature Physics

[이대수 교수 연구실] 변전성을 이용한 인공적인 극성 금속 상태 구현

Caption: 변전성을 이용한 인공적인 극성 금속 SrRuO3 구현 (a)변전성을 활용한 극성 상태 발현 모식도 (b)금속성 SrRuO3 박막이 가지는 극성 상태의 원자 단위 이미징 금속성과 벌크 극성은 일반적으로 상호 배타적이며 한 물질 내에서 공존하기 어렵다. 이대수 교수 연구팀은 금속에서의 전기분극을 유도하고 조절하는 새로운 방법을 제시하였다. 일반적으로 금속 내에서는 전기분극이 잘 정의되지 않고, 그 결과 금속의 벌크 극성을 조절하는 통일된 방법은 없었다. 이 연구에서는 불균일한 격자 변형에 의해 생성되는 유사 전기장, 즉 플렉소전기장을 활용하여 이러한 한계를 극복하였다. 이대수 교수 연구팀은 이 플렉소전기장이 중심 대칭의 금속성 물질 SrRuO3를 분극화시킨다는 것을 이론적, 실험적으로 규명하였다. 본 연구를 통하여 이대수 교수 연구팀은, 모든 재료에 일반적으로 적용 가능한 플렉소전기장을 이용하여 이례적인 물리적 특성을 탐구할 수 있는 가능성을 높였다. 이번 연구 결과는 Nature Physics 최신호에 발표되었다 [Nature Phys. (2024) (published online)] Electric polarization can only be well defined in insulators, not in metals, and there is no general scheme to induce and control bulk polarity in metals. Here, we circumvent this limitation by utilizing a pseudo-electric field generated by i nhomogeneous lattice strain, namely a flexoelectric field, as a universal means of polarizing and controlling a metal. Using heteroepitaxy and atomic-scale imaging, we show that flexoelectric fields polarize the bulk of an otherwise centrosymmetric metal SrRuO3, with remarkable off-center displacements of Ru ions. This further impacts the electronic bands and lattice anisotropy of the flexo-polar SrRuO3, potentially leading to an enhancement of electron correlation, ferromagnetism, and its anisotropy. Beyond conventional electric fields, flexoelectric fields may universally engender novel electronic states and their control via pure atomic displacements.

Kyoung-Duck Park Nano Convergence 10, 57 (2023)

[박경덕 교수 연구실] 2차원 반도체 내의 엑시톤 수송 연구에 대한 리뷰

[박경덕 교수 연구실] 2차원 반도체 내의 엑시톤 수송 연구에 대한 리뷰

Kyoung-Duck Park Nano Letters (2023)

[박경덕 교수 연구실] 플라즈몬을 이용한 2차원 반도체의 엑시톤-트라이온 변환 능동제어 및 원리 규명

플라즈모닉 나노구조인 금 탐침과 금 나노와이어를 이용한 2차원 반도체의 엑시톤 및 트라이온의 변환 제어 모식도 Illustration of exciton-trion conversion manipulation using two plasmonic nanostructures (Au tip and Au nanowire). 플라즈몬을 이용한 2차원 반도체의 엑시톤-트라이온 변환 능동제어 및 원리 규명 2차원 반도체 물질이 여기(excitation)되면 전자와 양공이 결합하면서 준입자를 생성하는데, 결합된 전자와 양공의 개수에 따라 중성인 엑시톤(exciton) 또는 극성을 가지는 트라이온(trion) 등이 발생한다. 금속 나노구조에서 발생한 플라즈몬은 빛-물질 상호작용(light-matter interaction)을 일으켜 엑시톤의 특성을 변화시키므로 그 원리에 대한 규명이 이루어지면 태양전지나 광전회로 같은 엑시톤 또는 트라이온 기반 소자 응용 연구에 큰 진전을 이룰 수 있다. 본 연구에서는 2차원 반도체인 이셀레늄화 몰리브덴(MoSe2) 단일층과 플라즈몬 구조인 금 나노와이어(AuNW)가 결합된 MoSe2/AuNW 복합 구조, 그리고 금 탐침(Au tip)을 이용하는 탐침증강 공진분광 시스템(tip-enhanced cavity-spectroscopy)을 구축하였으며, 이를 통해 나노공간에서 발생하는 광학적, 전기적 특성을 측정함과 동시에 제어하고 그 원리를 규명하였다. 먼저 MoSe2/AuNW 복합 구조에서 발생하는 광신호를 측정하여 엑시톤과 트라이온이 공간적 분포가 다름을 확인하였다. 이는 금 나노와이어에서 발생하는 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton, SPP)이 금 나노와이어에서 정상파 공명을 일으켜 표면의 전하 분포를 유도하고, 이 전하 분포에 따라 엑시톤이 트라이온으로 변환되는 비율이 달라지는 것을 이론 계산으로 검증하였다. 이후에는 금 탐침에서 발생하는 높은 에너지의 열전자(hot electron)가 2차원 반도체로 전이될 경우 엑시톤이 트라이온으로 변환되는 것과 나노미터 단위로 제어할 수 있음을 확인하였다. 그리고 금 탐침의 열전자는 금 나노와이어의 전하와 상호작용하여 극성에 따라 열전자가 인력 또는 척력을 받아 열전자 전이 효과가 어떻게 달라지는지를 엑시톤과 트라이온의 광발광(photoluminescence) 변화로 확인하였다. 이번 연구는 나노와이어와 같은 플라즈모닉 광도파 구조에서 발생하는 공간상 전하 분포를 접합된 반도체 물질의 전기적 도핑 효과로 간접 관측한 첫 실험 결과이다. 여기에 더해 탐침증강 공진분광 시스템으로 원하는 국소적 위치에서만 선택적으로 전기적, 광학적 특성을 능동 제어하는 방식은 엑시톤 및 트라이온 준입자의 물리적 특성을 규명할 뿐만 아니라 태양전지, 광전 집적회로 등의 엑시톤 또는 트라이온 기반 소자 응용에도 기여할 것으로 기대한다.

Kim, Yoon-Ho Physical Review Letters

[김윤호 교수 연구실] 열광원을 이용한 결맞음 이광자 라이다 시연

라이다는 주로 지형 분석, 자율 주행 차량 및 3D 이미징을 비롯한 다양한 분야에서 활용되는 중요한 기술이다. 특히, 레이저의 간섭을 통해 작동하는 결맞음 라이다(Cohernt LIDAR)는 외부 빛에 의한 잡음을 없앨 수 있으며, 감도가 더 높은 등의 장점을 지닌다. 그러나 결맞음 라이다는 간섭 현상을 사용하기 때문에 물체의 거리가 빛의 결맞음 길이보다 더 짧을 때에만 측정이 가능하다는 한계가 있으며, 이는 결맞음 라이다의 측정가능거리의 발전을 방해하는 중대한 요소이다. 김윤호 교수 연구팀은 빛의 결맞음 거리에 영향을 받지 않는 열광원의 2차 간섭 현상을 활용하여 결맞음 거리 이상에서도 동작하는 결맞음 이광자 라이다라는 새로운 개념을 제안하고, 이를 실험으로 구현하였다. 해당 논문에서 5.2 mm로 매우 짧은 결맞음 거리를 가지는 열광원의 2차 간섭을 통해 최대 1379.5 mm의 거리를 측정할 수 있음을 실험으로 보였다. 이러한 결과는 기존 라이다 기술의 한계를 극복하는 새로운 방법론을 제시하는 것이며, 이 연구 결과는 국제 저명 학술지인 Physics Review Letters 지에 2023년 11월 28일에 게재되었다. [Phys. Rev. Lett. 131, 223602 (2023)]

Lee, Hyun-Woo Nature 619, 52-56 (2023)

[이현우 교수 연구실] 세계 최초로 오비탈 홀 효과 관측 성공

Caption: (왼쪽) 오비탈 홀 효과. (오른쪽) 타이타늄(Ti)에서 오비탈 홀 효과를 관측하는 실험의 모식도. [이현우 교수 연구실] 세계 최초로 오비탈 홀 효과 관측 성공 물질에 전기장이 가해지면 전자의 스핀 각운동량에 의해 전자의 궤적이 휘는 현상인 스핀 홀 효과는 약 20년 전 처음 관측되었고 현재 이 효과를 이용한 차세대 메모리 연구가 세계 여러 연구진에서 진행되고 있다. 최근에는 전자의 스핀 각운동량이 아닌 오비탈 각운동량에 의해서도 전자의 궤적이 휠 수 있다는 것이 이론적으로 예측되었다. 오비탈 홀 효과라고 불리는 이 현상은 오비탈 자유도에 의해 나타나는 새로운 종류의 현상으로서 많은 연구자들의 관심을 불러일으키고 있다. 포항공과대학교 물리학과 이현우 교수 연구팀은 성균관대학교 최경민 교수 연구팀, 서울대학교 김창영 교수팀, 그리고 한국과학기술연구원 민병철 박사팀과의 공동연구를 통해 세계 최초로 오비탈 홀 효과를 관측하는 데에 성공하였다. 이현우 교수 연구팀은 이번 연구에서 이론 분석을 주도하였으며, 경금속인 타이타늄(Ti)에 전기장을 걸었을 때 오비탈 홀 효과로 인해 물질 표면에 오비탈 각운동량이 쌓이는 양을 이론적으로 계산했다. 공동연구팀은 이론과 실험 결과의 일치를 통해 오비탈 홀 효과를 성공적으로 규명하였다. 이번 연구를 통해 고체 내부에서는 오비탈 각운동량에 의한 물리 현상이 발생하기 어렵다는 종래의 이해를 뒤집었으며, 더 나아가 오비탈 자유도를 활용한 새로운 자기 메모리 소자의 구현 가능성을 제기하였다. 오비탈 자유도는 전자가 가지는 매우 일반적인 성질이며 스핀 자유도와 달리 전기장과 직접 상호작용한다는 점 때문에, 스핀을 이용한 메모리 소자가 가지는 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구 성과는 저명 학술지 Nature에 2023년 7월 5일자로 게재되었다 [Nature 619, 52–56 (2023)].

Kyoung-Duck Park Nature Communications 14, 1891 (2023)

[박경덕교수 연구실] 광도파로로 극성반도체입자 능동제어 및 물리적 개념 정립

caption: 플라즈모닉 광도파로를 이용해 TMD 단일층에 존재하는 극성반도체입자를 상온에서 고순도로 만들고 적응광학 기술을 결합하여 능동제어하는 모식도. 제목: [박경덕 교수] 광도파로로 극성반도체입자 능동제어 및 물리적 개념 정립 반도체 물질에 빛을 쏴주면 ‘엑시톤(Exciton)’이 생성된다. 엑시톤은 전자와 양공1)이 결합된 입자로서, 전기적으로는 중성인 상태다. 엑시톤에 전자 하나가 더 결합되면 ‘극성반도체입자(Trion)’가 된다. 두 입자 모두 차세대 광통신 소자와 태양 전지에 활용되지만 극성반도체입자는 전기장으로 제어가 가능하고 쉽게 결합이 풀려 실질적인 소자 응용에 더 이점이 있다. 이 연구는 극성반도체입자를 생성하기 위해 폭이 약 200 나노미터(10-9m)인 ‘나노 플라즈모닉 광도파로(plasmonic waveguide)’를 사용했다. 플라즈모닉 광도파로는 빛을 자유전자의 공명 현상인 ‘플라즈몬(plasmon)’ 형태로 바꾸어 파장보다 작은 공간에 강하게 가둔 뒤 원하는 곳으로 이동시키는 구조이다. 광도파로 위에 이차원 반도체물질을 전사하면 광도파로의 홈을 따라 이차원 반도체가 늘어지게 되는데, 이 때 빛을 쏘아주면 반도체 내에 생성된 엑시톤은 깔때기에 물을 부은 것처럼 광도파로 중심에 모이게 된다. 이와 동시에, 광도파로의 플라즈몬은 높은 에너지를 갖고 있어 광도파로의 금속에 있는 전자를 반도체로 이동시키고, 이때 이동한 많은 양의 전자가 엑시톤과 함께 광도파로 중심으로 모이게 되어 결합하여 극성반도체입자가 생성되는 것이다. 또한 위 연구는 적응광학과 나노광학을 결합한 공간 빛 제어기술을 이용하여 극성반도체입자가 생성되는 위치를 제어하는 데 성공했는데, 이 기술을 이용하여 플라즈모닉 광도파로 내 원하는 위치에 플라즈몬을 만들고, 극성반도체입자가 생성되는 위치 역시 제어할 수 있었다. 이번 연구는 ‘전기’가 아닌 ‘빛’에 의해 진행되었다는 점에서 큰 의의가 있다. 빛이 이동하는 길을 통해 광학 소자 개발에 대한 해답을 찾은 것이다. 또, 엑시톤과 극성반도체입자 같은 입자를 연구하는 ‘엑시토닉스’와 플라즈몬을 탐구하는 ‘플라즈모닉스’ 등 다양한 분야를 결합했다는 점도 주목할만하다. 이번 성과는 극성반도체입자 기반 광학 소자를 효율적으로 제어하고, 고효율의 에너지 광변환 소자를 개발하는 데 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 물리학과 박경덕 교수 · 통합과정 이형우 씨, 삼성전자 주혁 부사장, 전북대 이홍석 교수 공동 연구팀이 주도한 이번 연구는 국제학술지 Nature Communications에 최근 개제됐다.

Kyoung-Duck Park ACS Nano 17, 4584 (2023)

[박경덕교수 연구실] 나노엑시톤 트랜지스터의 물리적 개념 정립

caption: 나노적응광학을 이용해 TMD 이종접합구조의 엑시톤 발광과 층간엑시톤 발광을 선택적으로 제어하는 나노엑시톤 트랜지스터의 개념도. 노엑시톤 트랜지스터의 물리적 개념 정립 엑시톤은 반도체물질이 빛을 내게 하는 준입자로 전기적으로 중성인 상태에서 빛과 물질 간 전환이 자유로워 발열이 적은 차세대 발광소자나 양자정보통신 광원 개발의 핵심이 된다. 서로 다른 반도체물질을 두 층으로 쌓아 만든 이종접합반도체 내에는 두 가지 종류의 엑시톤이 존재하는데, 하나는 수평한 방향성을 가진 층내엑시톤이고 다른 하나는 수직한 방향성을 가진 층간엑시톤이다. 층간엑시톤과 층내엑시톤이 방출하는 광신호는 서로 다른 빛깔, 지속 시간, 그리고 결맞음 시간을 갖기 때문에 두 광신호를 각각 독립적으로 제어할 수 있다면 2비트 엑시톤 트랜지스터를 실현할 수 있다. 하지만, 빛의 회절한계와 더불어 이종접합반도체물질의 불균질성과 층간엑시톤의 낮은 발광효율 때문에 층내엑시톤과 층간엑시톤을 나노 공간에서 제어하기 어렵다는 과제를 안고 있다.선행연구에서 반도체물질을 나노 탐침으로 눌러 엑시톤 나노공간제어 원천기술을 제시한 바 있는 박경덕 교수팀은, 이번에는 엑시톤을 직접 건드리지 않고도 탐침에 비추는 빛의 편광에 따라 엑시톤 밀도와 발광효율을 원격 제어하는데 세계 최초로 성공했다. 나노 광공진기와 공간광변조기를 결합한 위 방식의 최대 장점은 반도체물질의 물리적 손상을 최소화하며 가역적으로 엑시톤 제어가 가능하다는 것이다. 뿐만 아니라 ‘빛’을 이용한 나노 엑시톤 트랜지스터를 이용하면 방대한 양의 정보를 빛의 속도로 처리하면서도 열 에너지 손실을 줄일 수 있다. 어느새 우리의 삶 속으로 들어온 인공지능은 방대한 양의 데이터를 학습한 후 사용자가 원하는 답을 제시한다. 인공지능을 활용하는 분야가 많아질수록 더 많은 정보를 수집하고 처리할 수 있어야 한다. 이번 연구는 데이터 폭증 시대에 새로운 데이터 처리 전략을 제시할 것으로 기대된다. 물리학과 박경덕 교수 · 통합과정 구연정 씨, 러시아 ITMO대 바실리 크랍초프(Vasily Kravtsov) 교수 공동 연구팀이 주도한 이번 연구는 국제학술지 ACS Nano에 최근 게재됐다.

Kyoung-Duck Park Light: Science & Applications 12, 59 (2023)

[박경덕 교수 연구실] 이종접합 2차원반도체 층간엑시톤 제어 나노현미경 개발

플라즈모닉 탐침을 이용해 TMD 이종접합구조에 존재하는 엑시톤과 층간엑시톤, 층간트라이온을 제어하는 나노현미경의 모식도 이종접합 2차원반도체 층간엑시톤 제어 나노현미경 개발 이종접합물질의 층간엑시톤은 일반적인 엑시톤과 같이 반도체 특성의 광발광 현상을 일으킨다. 전기적으로 중성인 준입자 상태에서 빛과 물질 간 전환이 자유로워 발열이 적은 차세대 반도체 소자로 응용할 수 있는 것은 물론, 기존 엑시톤에 비해 결맞음시간이 매우 길어 양자정보통신 광원으로도 활용될 수 있다. 하지만, 층간엑시톤은 상온에서 발광효율이 매우 낮고 발광에너지의 변조가 어렵다는 과제를 안고 있다. 선행연구에서 엑시톤 나노공간제어 원천기술을 제시한 바 있는 박경덕 교수팀은, 기가파스칼(GPa) 수준 압력과 근접장 세기로 조절가능한 다기능 탐침증강 나노현미경을 개발했다. 이 현미경은 층간엑시톤의 발광효율을 약 9,000배 증가시키고 발광에너지(빛의 색깔)의 능동적인 변조를 가능하게 했다. 여기에 탐침기반 핫 전자(hot electron) 주입 기술을 더해 층간엑시톤과 층간트라이온 사이의 준입자 변환을 자유자재로 제어하는데 세계 최초로 성공할 수 있었다. 이번 성과의 최대 장점은 상온 상압 조건에서 물성을 능동적으로 제어하는 것은 물론, 빛의 파장보다 훨씬 짧은 약 20nm의 공간분해능으로 반도체입자의 광학적 특성을 실시간으로 분석할 수 있다는 것이다. 차세대 물질로 활발하게 연구가 이루어지고 있는 이종접합 2차원 반도체의 다양한 응용 가능성을 연 것으로 평가받는 이 결과는 계측장비 개발의 기초연구를 통해 이루어졌다는 점에서 더욱 학계의 주목을 모았다. 또, 이 기술은 고휘도 초박막 웨어러블 광전자소자 등의 개발에 활용될 것으로 기대되며, 특히 미국과 일본, 중국 등에서 반도체 장비의 시장 선점을 위해 기술 장벽을 구축하고 있는 현시점에서는 더욱 의미가 있다. 물리학과 박경덕 교수 · 통합과정 구연정, 이형우 씨, 러시아 ITMO대 바실리 크랍초프(Vasily Kravtsov) 교수 공동 연구팀이 주도한 이번 연구는 국제학술지 Light: Science & Applications에 최근 게재됐다.

Kyoung-Duck Park Nano Letters 23, 198 (2023)

[박경덕 교수 연구실] 2차원 양자물질의 암흑엑시톤 상온 나노이미징 성공

caption: 단일층 WSe2의 나노버블구조에서 관찰된 엑시톤과 암흑엑시톤의 나노이미징 결과. (a) 표면형상, (b) 변형률 공간분포, (c) 엑시톤 공간분포, (d) 암흑엑시톤 공간분포. 파란색 점선 영역(e)과 빨간색 점선 영역(f)의 엑시톤과 암흑엑시톤의 PL 세기 및 변형률 변화. 2차원 양자물질의 암흑엑시톤 상온 나노이미징 성공 암흑엑시톤은 발광 지속시간과 결맞음 시간이 일반적인 엑시톤에 비해 약 1000 배 정도 길기 때문에 양자컴퓨터와 양자정보 처리의 기본 연산단위인 양자비트를 안정적으로 구현할 수 있는 후보군으로 주목받고 있다. 하지만 암흑엑시톤은 독특한 스핀구조에 의해 발광이 억제되어 있기 때문에 현재까지의 기술로는 주로 극저온에서만 발광 현상이 관찰됐으며 이는 양자비트를 비롯한 양자 광집적회로 등의 다양한 양자 소자로의 응용 가능성을 크게 제한하였다. 본 연구에서는 금 나노구조를 이용한 초고효율의 나노광학 안테나 기술을 개발하여 2차원 반도체 물질의 버블구조에서 strain에 의한 암흑엑시톤의 상온 발광 현상이 관찰됨을 증명하였다. 또한 나노광학 안테나 탐침의 압력 제어를 통해 암흑엑시톤의 발광특성을 약 15 nm의 공간영역에서 스위칭과 변조하는 광양자소자를 제시하였다. 그림에서 제시된 바와 같이 암흑엑시톤의 상온 발광 현상은 strain이 가해진 나노버블구조에서 주로 관찰되는데 그 이유는 strain이 가해진 크리스탈의 경우 편평한 상태에 있는 크리스탈에 비해 스핀플립이 발생할 확률이 높기 때문으로 생각된다. 버블에서 발생하는 암흑엑시톤은 compressive strain와 tensile strain 모두에서 발생하므로 이와 같은 해석은 타당한 것으로 생각되며, 탐침으로 버블을 누를 경우 암흑엑시톤의 발광 세기가 달라지므로 이를 암흑엑시톤 상온 발광 제어 다비이스로 활용 가능하다. 본 연구는 물리학과 박경덕 교수와 University of Colorado at Boulder의 Markus Raschke 교수팀과의 공동연구를 통해 진행되었으며, 국제학술지 Nano Letters에 2023년 1월 게재되었다.

Kyoung-Duck Park Nature Communications 13, 4133 (2022)

[박경덕 교수 연구실] 상온에서 1나노미터 단일분자 자세 변화 관측

Caption: (좌) 탐침증강 나노현미경을 이용해 금과 산화알루미늄 층 사이에 갇힌 분자를 관찰하는 것을 묘사하는 그림. (우) 분자의 배향에 따라 분자의 진동모드가 변하는 것을 시각화한 그림. 상온에서 1나노미터 단일분자 자세 변화 관측 공기에 노출된 분자는 주변 환경과 수시로 화학적 반응을 일으키고 끊임없이 움직인다. 이 때문에 ‘분자 지문’이라고 불리는 라만 산란 신호를 검출하기 매우 어렵고, 분자를 영하 200℃ 이하로 얼려 가까스로 신호를 검출하더라도 단일분자 고유의 특성을 규명하는 데 한계가 있다. 연구팀은 금 박막을 입힌 기판 위에 단일분자를 올리고, 매우 얇은 산화알루미늄(Al2O3)층을 그 위에 이불처럼 덮어 ‘꽁꽁’ 묶었다. 금과 산화알루미늄 사이에 갇힌 분자는 주변 환경과 분리돼 화학반응을 일으키지 않는 데다가 움직임 또한 억제됐다. 이렇게 고정된 분자는 연구팀이 개발한 초고감도 탐침증강 나노현미경을 통해 관측됐다. 개발된 나노현미경을 이용하면 날카로운 금속 탐침의 광학 안테나 효과*2 덕택에 단일분자의 미세한 광신호도 정확히 검출할 수 있고, 이를 통해 일반적인 광학현미경의 해상도 한계(약 500nm)를 훨씬 뛰어넘어 1nm 크기의 단일분자가 누워있는지 서 있는지의 자세 변화를 명확하게 구분할 수 있다. 이 연구성과는 난치병의 원인 파악과 치료법 개발의 실마리가 될 연구로 학계의 주목을 받는다. 질병의 원인이 되는 단백질이나 DNA의 분자 배향(Conformation)을 나노미터 수준까지 샅샅이 살펴볼 수 있어서다. 이뿐만 아니라 시료 위에 얇은 층을 덮는 방식이 매우 간단한 데다가 상온 또는 고온에서도 적용할 수 있어 그 응용 가능성이 무궁무진하다. 본 연구는 물리학과 박경덕 교수·통합과정 강민구 씨와 UNIST 화학과 서영덕 교수의 주도하에 이루어졌으며 UNIST 주희태 연구원, POSTECH 물리학과 통합과정 구연정·이형우 씨 등이 참여했다. 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.