초록 ▼

□연구개요
본 연구의 목표는 (1) 마이크로공진기 (microcavity)에 갇힌 원자단위의 2차원 반도체 물질 (monolayer transition metal dichalcogenide; ML MX₂)의 엑시톤 (exciton)과 전자기파 (빛)의 양자 중첩 (quantum superposition)에 의해 형성되는 폴라리톤(polariton)의 독특한 특성 및 생성/이완 과정을 탐구하여, (2) 고밀도 영역에서 양자역학적 상전이로 일어나는 polariton lasing (dynamic condensat

□연구개요
본 연구의 목표는 (1) 마이크로공진기 (microcavity)에 갇힌 원자단위의 2차원 반도체 물질 (monolayer transition metal dichalcogenide; ML MX₂)의 엑시톤 (exciton)과 전자기파 (빛)의 양자 중첩 (quantum superposition)에 의해 형성되는 폴라리톤(polariton)의 독특한 특성 및 생성/이완 과정을 탐구하여, (2) 고밀도 영역에서 양자역학적 상전이로 일어나는 polariton lasing (dynamic condensation)을 최적화된 조건에서 구현하고, (3) 최종적으로 동일 평면상에 p-i-n 이종접합구조 (in-plane p-i-n heterostructure)를 제작하여 낮은 임계값에서 전기적으로 구동하는 폴라리톤 응축에 기반을 둔 가 간섭 광원 (polariton laser)을 개발하는 것이다.

□연구 목표대비 연구결과
• 고품질의 2차원 반도체 단결정, 단일층 MX₂를 CVD 방법으로 대면적 성장(>100 μm²) 및 동일 평면에 p-i-n 이종접합구조 구현 기술 확보
• 3R 구조의 Bilayer MoS2 성장 확보 및 이의 우수한 valley 분극 특성 파악
• 대면적, 연속 단일층 MX₂ 박막을 요철이 있는 기반에 도포성있게 증착할 수 있는 기술 개발
• PECVD 및 in-situ E-beam 진공증착으로 Q factor가 300 이상인 마이크로공진기 구현
• 공진기의 공명 주파수을 조절하지 않은 시료에서 Rabi splitting >25 meV 확보
• 광학적 방법으로 엑시톤-빛 양자중첩 응축 상태인 “폴라리톤” 생성을 Fourier space spectroscopy, 즉 angle resolved PL로 이미징 함.
• 단일층 2차원 반도체 물질의 우수한 비선형 광학특성을 활용한 브로드 밴드 비선형 광학 특성을 갖는 인공 물질 연구 및 제안
• 2차원 반도체 (ML MX₂) 및 CNT(Carbon Nanotube) 기반으로 한 수소생성(hydrogen evaluation reaction; HER) 연구 및 단일층 MX₂와 나노기반 물질(예; TiO₂ Nanorod)과의 결합을 HER 효율 및 신뢰성 향상 결과 확보
• 2차원 반도체의 비등방 열전도 특성을 활용한 태양에너지 기반 해수 담수화 연구를 통해 수증기 증발률 1.28 kg/m²h 확보
• 나노기반 물질(예; TiO₂ Nanorod)을 기존 수증기 발생기에 적용하여 비 유기물 기반 State-of-Art, 2.23 kg/m²h 증방률 확보

□연구개발결과의 중요성
• 2차원 반도체을 적용한 마이크로공진기에서 Polariton의 생성에 적용된 기술, 즉 DBR, Inner cavity, angle resolved PL/Transmission 측정 기술을 최근에 높은 QE(Quantum efficiency)를 갖는 2차원 적층 형태의 Hybrid Perovskite에 적용하면 상온 플라리톤 레이징을 더 빨리 실현할 수 있을 것으로 사료됨.
• 낮은 임계점에서 폴라리톤에 근거한 레이저가 전기적으로 작동되면, 이는 실용적인 과학기술 응용에도 지대한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 특히 원자단위의 물질만을 이용한 새로운 저비용/고효율 가 간섭 광원을 현실화할 수 있는 획기적 인 결과를 낳을 것이며, 이는 직접적으로 레이저 산업에 긍정적인 영향을 줄 것이고, 군사/의학적 응용에 on-chip 형태의 광원으로 쓰일 수 있을 것이다.

(출처 : 요 약 문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 연구개발의 필요성 ... 4
• 1.2 연구자가 수행하고자 했던 가설 ... 4
• 1.3 최종 목표 ... 4
• 1.4 연구의 범위 & 계획 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• (1) TiO2/SiO2 기반 DBR (Distributed Bragg Reflector) 및 내부 Cavity 구현; Passive cavity ... 5
• (2) Monolayer 및 3R 구조의 Bilayer MoS2 성장에 관한 연구 ... 6
• (3) 엑시톤-폴라리톤 형성에 대한 연구 ... 6
• (4) 각도 분해 Photoluminescence (PL)/반사율(Transmission) 측정 장치 셋업 및 Rabi 분리 추출 ... 7
• (5) 단일층 2차원 반도체 물질의 우수한 비선형광학특성을 활용한 브로드 밴드 비선형 광학 특성을 갖는 인공 물질 연구 ... 8
• (6) 2차원 반도체 및 CNT(Carbon Nanotube) 기반으로 한 수소생성 (hydrogen evaluation reaction; HER)연구 ... 9
• (7) 2차원 반도체의 비등방 열전도 특성을 활용한 태양에너지 기반 오수 및 해수 담수화 연구 ... 10
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 11
• 4. 참고문헌 ... 11
• 5. 연구성과 ... 12
• 대표적 연구실적 ... 18
• 끝페이지 ... 28