[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.