수 원자층 두께 반도체에 빛을 구속하고 제어하는 기술 개발

공수현 교수팀 연구결과 Advanced Materials 게재
초저전력 광 집적회로로의 응용 기대

▲ 왼쪽부터 공수현 교수(교신저자), 신동진 연구원(공동1저자), 조현희 연구원(공동1저자)

이과대학 물리학과 공수현 교수팀이 빛과 물질의 성질을 동시에 가지는 양자 준입자를 이용해 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준에서도 빛을 전파 및 제어할 수 있는 플랫폼을 2차원 물질 박막을 통해 구현했다.

일반적으로 빛은 파동의 성질을 갖고 있기에 빛의 파장보다 작은 공간에 가두어질 수 없는 것으로 알려져 있다. 하지만 공수현 교수팀은 빛과 강하게 상호작용하는 반도체 물질을 사용하면 빛의 파장보다 훨씬 작은 수 나노미터에서 수십 나노미터 수준에서도 빛을 가둘 수 있다는 것이 가능한 것을 확인했다.

반도체가 빛을 흡수하면 반도체 안에 전자와 양공이 수소원자처럼 결합되어 있는 엑시톤 이라는 준입자가 형성될 수 있다. 이때 엑시톤이 빛과 강하게 상호작용하게 되면 빛과 물질의 성질을 모두 갖는 양자 준입자가 형성되는데 이를 엑시톤-폴라리톤이라 한다.

보통은 엑시톤-폴라리톤을 만들기 위해서는 빛을 강하게 집속시키는 거울 구조를 반도체와 결합하여야 하는데, 연구팀은 2차원 반도체의 경우 거울 구조를 별도로 결합하지 않아도 2차원 반도체 자체에 자발형성된 엑시톤-폴라리톤이 형성될 수 있음을 밝혔다. 이 엑시톤-폴라리톤을 이용하면 빛의 파장보다 훨씬 얇은 수 원자층 두께의 반도체에서도 빛을 제어할 수 있게 된다.

또한 연구팀은 2차원 반도체에 존재하는 엑시톤-폴라리톤 형태의 빛은 새로운 물리적 성질을 가짐을 보였다. 예를 들어 펌핑 레이저의 세기를 조절하여 엑시톤-폴라리톤의 상태를 연속적으로 튜닝할 수 있으며 2차원 반도체가 가지는 밸리편광을 그대로 가지고 있음을 관측했다.

엑시톤-폴라리톤은 제어가 간편한 물질적 특성과 질량이 없어 매우 빠른 빛의 특성을 모두 지닌 입자로서 응용 가능성이 매우 큰 것으로 여겨진다. 공수현 교수는 “이번 연구 결과는 금속이 아닌 반도체 물질로도 빛을 회절한계 이하로 강하게 집속시킬 수 있다는 의의가 있으며, 새로운 편광상태인 밸리편광으로 엑시톤-폴라리톤을 제어할 수 있다는 점에서 새로운 개념의 광 집적회로 개발로도 이어질 수 있을 것이라고 기대한다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

삼성미래기술육성사업으로 수행된 이번 연구는 공교수의 지도를 받아 신동진 (공동 1저자), 조현희 (공동 1저자) 박사과정 학생이 수행했으며, 재료과학 및 나노기술 분야의 권위 학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF=32.086)에 독일 현지시간 기준 11월 2일자 온라인 게재됐다. 
* 논문명 : Direct observation of self-hybridized exciton-polaritons and their valley polarizations in a bare WS2 layer
* 저널명 : Advanced Materials
* DOI : https://doi.org/10.1002/adma.202207735
* 저   자 : 신동진 (공동1저자/고려대학교), 조현희 (공동1저자/고려대학교), 성중현 (공동저자/고려대학교), 공수현 (교신저자/고려대학교)


[ 용 어 설 명 ] 

○ 엑시톤(exciton) : 절연체 또는 반도체 내에서 전자와 양공이 전기적으로 상호작용하여 만들어진 준입자이다.
○ 엑시톤-폴라리톤(exciton-polariton) : 엑시톤(exciton)이 빛과 강하게 상호 작용하면 빛과 물질의 중간적 특성을 띄며 형성되는 준입자이다.
○ 2차원 물질(2-dimensional material) : 원자가 단일층으로 배열되어 있는 물질이다. 대표적으로 그래핀(Graphene), 전이금속 칼코젠 화합물 (Transitionmetal dicahlcogenides), 육각질화붕소(hexagonal Boron Nitride) 등이 있다.
○ 편광(polarization of light) : 빛이 진행할 때 특정 방향으로 진동하는 현상을 가리킨다.
○ 밸리(valley) : 반도체의 띠 구조 (band structure)에 존재하는 극대/극소 지점을 가리킨다.

[ 그 림 설 명 ] 


▲ 근접장 결합 방식을 이용한 빛-물질 상호작용 제어 기술

금속 표면에서 형성되는 표면 플라즈몬 폴라리톤에서 자주 사용되었던 근접장 결합 방식을 활용하여 빛의 회절 한계보다 훨씬 작은 수 나노미터 수준에 집속되어 있는 엑시톤-폴라리톤을 직접적으로 측정하였다. 근접장 결합 방식을 활용하면, 기존에 근접장주사광학현미경 (Nearfield Scanning Optical Microscope)으로는 확인하기 어려웠던 레이저 출력에 의한 엑시톤-폴라리톤 제어 가능성 및 반도체에 주입하는 빛의 편광 상태에 따른 엑시톤-폴라리톤 제어 가능성을 확인할 수 있다.




커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)