초록 ▼

□ 연구개요
본 연구의 목표는 2차원 전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenide: TMD) 반도체가 갖는 밸리 자유도를 차세대 정보소자에 활용하기 위한 관련 물리적 현상의 이해와 응용적 방법론을 제시하는 것에 있다. 이를 위해 첫째, 두 층의 2차원 반도체 물질로 구성되는 결합형 양자우물 구조(Coupled quantum well)에 전기적 바이어스 인가에 따른 엑시톤의 특성 변화 이해 및 제어 기술을 개발하고, 둘째, 마이크로 공진기와의 결합 기술 개발을 통해 엑시톤-폴라리톤 상태를 구현

□ 연구개요
본 연구의 목표는 2차원 전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenide: TMD) 반도체가 갖는 밸리 자유도를 차세대 정보소자에 활용하기 위한 관련 물리적 현상의 이해와 응용적 방법론을 제시하는 것에 있다. 이를 위해 첫째, 두 층의 2차원 반도체 물질로 구성되는 결합형 양자우물 구조(Coupled quantum well)에 전기적 바이어스 인가에 따른 엑시톤의 특성 변화 이해 및 제어 기술을 개발하고, 둘째, 마이크로 공진기와의 결합 기술 개발을 통해 엑시톤-폴라리톤 상태를 구현한다. 셋째, 엑시톤-폴라리톤 광학 소자에서 엑시톤 상태에 따른 엑시톤-폴라리톤 형성과 밸리 자유도 간의 상관관계를 이해하고 밸리엑시톤-폴라리톤 상태의 제어 방법을 연구한다. 최종적으로, 결맞은 밸리 엑시톤-폴라리톤 응축 상태를 구현함으로써 열적으로 안정하고 완전하게 정의되는 밸리 자유도를 부여할 수 있는 차세대 밸리 정보소자 개발 가능성을 제시하는 것을 목표로 한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
연차별 단계적 연구 목표 및 내용에 따라 2차원 반도체 성장, 2차원 물질 전사 및 적층 기술이 개발되었고 이를 통해 결합형 양자우물 구조 제작 및 전기적 바이어스 인가에 따른 다양한 엑시톤 상태 관찰 및 제어 기술을 확보하였다. 엑시톤-폴라리톤 상태 구현을 위하여 고품위의 DBR 반사막 제작 기술을 최적화하였고, 시뮬레이션 계산을 통해 DBR 반사막 기반 마이크로 공진 시스템이 설계되었다. 최종적으로 제작된 DBR 공진기와 양자우물 구조의 결합을 통해 폴라리톤 소자를 제작하였으며, 해당 구조로부터 상온 엑시톤-폴라리톤 상태를 구현하였다. 특히, 본 연구 과정에서 탐구된 h-BN/WS₂/h-BN 양자우물 구조에서의 다양한 엑시톤 물성 연구는 기존 잘 이해하지 못한 2차원 반도체 엑시톤 특성에 대한 이해의 깊이를 한층 진전시키는 연구결과이며, h-BN encapsulation이 2차원 반도체 결함을 passivation할 수 있음을 규명한 것은 반도체 소재 결함 제어를 위한 새로운 실험적 방법론을 제시하는 훌륭한 연구성과이다. 또한, 전기적 제어 가능한 양자우물 구조에서 게이트 전압 인가의 따른 전자 도핑은 최근 많은 관심을 받고 있는 엑시톤-폴라론 상태의 형성을 가능하게 함을 발견하였고, 주입되는 전자 농도에 의존하여 폴라론 에너지와 진동자 세기를 조절할 수 있음을 증명하였다. 비록 최종목표인 전기적 제어 가능한 결합형 양자우물 구조와 마이크로 공진 시스템 결합을 통한 엑시톤-폴라리톤 상태 구현 및 밸리 엑시톤-폴라리톤 응축을 통한 밸리 자유도 제어는 실험적으로 구현하지 못하였으나, 본 연구 과정을 통해 개발된 h-BN/WS₂/h-BN 양자우물 구조 기반으로 제작된 도파관 구조를 통해 밸리 엑시톤-폴라리톤 상태를 구현했고, 도파관 구조에서 정의되는 광학 스핀과 밸리 유사스핀의 결합을 통해 밸리 상태의 공간적인 수송 및 분리를 유도할 수 있음을 증명하였다. 또한, 해당 구조에서 엑시톤과 공진 모드 간의 가역적 상호작용으로 전파하는 밸리 폴라리톤 상태는 밸리 정보의 온전한 수송을 가능하게 함을 발견하였고, 여기하는 원편광 빛의 helicity(우원/좌원)에 의존하여 전파된 밸리 폴라리톤의 밸리 상태의 제어가 가능함을 발견하였다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구를 통해 발견한 h-BN encapsulation에 의한 2차원 반도체 결함 passivation 효과는 2차원 반도체 엑시톤의 고유한 물성 관찰 및 탐구를 위한 플랫폼으로 활용될 것이고, 해당 연구를 통해 얻은 엑시톤 물성 연구결과는 2차원 반도체 물질의 기초 물성에 대한 이해의 깊이를 한층 진전시킨 학문적으로 매우 중요한 성과이다. 또한, 2차원 반도체 결함 제어를 위한 아이디어 및 새로운 방법론을 제시한다는 점에서 2차원 물질 및 관련 연구 분야에 큰 파급효과를 가질 것이다. 전기적 제어로 엑시톤-폴라론 상태의 형성 및 에너지와 진동자 세기 조절을 가능하게 하는 기술은, 초유체와 초전도체 등의 다체계 상호작용에 기반한 다양한 양자 물리 현상을 실험적으로 구현하고 이를 깊이 있게 이해하는 데에 중대한 기여를 할 것으로 기대되며, 반발 폴라론 사이의 강한 산란 효과와 비선형성은 폴라리톤 응축, 폴라리톤 기반 초유체성, 폴라리톤 매개 산란 등 폴라리톤 연구 분야에 혁신적인 진전을 가져올 것으로 기대되고 이러한 강한 비선형성을 갖는 엑시톤-폴라론 상태를 활용하여 엑시톤-폴라리톤 응축 상태 구현을 목표로 추후 연구를 진행할 계획이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 연구개발의 목적 및 필요성 ... 4
• 나. 연구 가설 ... 4
• 다. 최종목표 및 연구범위 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• (1) 1차년도 ... 5
• (2) 2차년도 ... 6
• (3) 3차년도 ... 9
• (4) 4차년도 ... 10
• (5) 5차년도 ... 12
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 16
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 16
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
• 3) 목표 달성 수준 ... 16
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 17
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 17
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 6. 자체점검표 ... 18
• 7. 참고문헌 ... 19
• 끝페이지 ... 38