초록 ▼

연구개요
Black phosphorus는 반데르 발스 층상 물질로서 독특한 이방성 구조, 강한 전기장 인가시 위상절연체 상태 발현, Pseudospin 특성 등 흥미로운 물리적인 특성을 갖고 있음. 특히, 원자 단위층 Phosphorene 수준의 두께가 되었을 시에는 급격히 커진 쿨롱 상호작용으로 강한 엑시톤 상태가 형성될 것이 예측됨.
본 연구과제는 원자 수준 두께의 Few-layer phosphorene 고품질 시료 제작 공정을 개발하고, Laser spectroscopy 기법으로 엑시톤 전자구조와 광특성을 조사함.

연구개요
Black phosphorus는 반데르 발스 층상 물질로서 독특한 이방성 구조, 강한 전기장 인가시 위상절연체 상태 발현, Pseudospin 특성 등 흥미로운 물리적인 특성을 갖고 있음. 특히, 원자 단위층 Phosphorene 수준의 두께가 되었을 시에는 급격히 커진 쿨롱 상호작용으로 강한 엑시톤 상태가 형성될 것이 예측됨.
본 연구과제는 원자 수준 두께의 Few-layer phosphorene 고품질 시료 제작 공정을 개발하고, Laser spectroscopy 기법으로 엑시톤 전자구조와 광특성을 조사함. 더불어 Doping, 두께, 외부 유전 상수, 전기장 등으로 엑시톤 상태의 제어 방법을 탐색함.

연구 목표대비 연구결과
1. 고순도 Few-layer phosphorene 시료 및 FET 소자 제작법 개발
-글로브 박스 내부에서 hBN-encapsulation 작업으로 고품질 시료/소자 공정 개발
2. 엑시톤 전자 구조 이해
-흡수 스펙트럼 측정으로 Bilayer의 경우 엑시톤 결합에너지 200 meV, Optical band gap 1.13 eV, Fundamental band gap 1.33 eV의 전자구조를 밝혔음.
3. Charged 엑시톤 전자 구조 이해
-FET 소자의 전압 인가로 변하는 흡수, 발광 스펙트럼 분석을 통하여 Trion 상태가 형성되는 것을 확인하고 스핀구조 및 결합에너지와 관련 수치를 측정하였음.
4. 두께, 유전 상수, 전기장을 통해 엑시톤 구조 제어
-박막의 두께나 Graphene 적층을 통해 엑시톤 결합에너지, Trion 결합에너지가 제어될 수 있음을 보여줌.
5. 엑시톤의 광흡수, 광방출 특성 조사
- 흡수 스펙트럼 측정을 통해 1s 엑시톤 상태의 흡수 Cross-section은 3.1 meV / ℏ이며 해당 Radiative lifetime은 300 K에서 10 nsec임.

연구개발결과의 중요성
최근 원자수준 2차원 반도체 박막은 고차원 엑시톤 입자 형성, 엑시톤 응축, 위그너 크리스탈 등의 흥미로운 양자 현상이 보고되고 있어 연구적인 가치가 매우 큰 물질임. Few-layer phosphorene은 주로 많이 연구되는 Transition Metal Dichacogenides에는 없는 독특한 특성 있어 양자 엑시톤 연구에 새로운 방향을 제공할 수 있음. 또한, 정보, 통신 기술적으로 유용한 밴드갭 크기를 이용하여 성능이 우수한 광소자를 제작하는데 응용할 수 있음. 본 연구 결과는 이러한 연구 분야를 개척하는데 중요한 기반 정보를 제공함.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1연구결과 요약문 ... 2목차 ... 31. 연구개발과제의 개요 ... 42. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5 2.1 고순도 초미세 박막 및 FET 나노소자 제작: 1차년도 (2017) ... 5 2.2. 엑시톤 구조와 광특성 조사: 1차년도~2차년도 (2017~2018) ... 6 2.3. 엑시톤 구조와 광특성의 제어: 2차년도~3차년도 (2018~2019) ... 73. 연구개발결과의 중요성 ... 10 3.1. 고순도 Phosphorene Few-layer 시료 및 소자 제작 공정의 최초 개발 ... 10 3.2. hBN-encapsulated few-layer phosphorene의 엑시톤 구조와 광특성 최초 이해 ... 11 3.3. Few-layer phosphorene의 charged exciton 구조와 특성 최초로 측정 ... 124. 참고문헌 ... 145. 연구성과 ... 14대표적 연구실적 ... 16끝페이지 ... 19