영국 셰필드 대학(University of Sheffield)의 연구진은 두 개의 매우 얇은 2차원 물질을 서로 겹쳤을 때 새로운 특성이 발생한다는 것을 발견했다. 이것은 두 개의 원자 층의 물리적 및 화학적 반응을 통해서 일어나는 것이 아니라 약한 반데르발스 상호작용으로 층들이 서로 부착됨으로써 발생한다.

헤테로구조를 만들기 위해서 서로 다른 재료들을 적층시키는 아이디어는 갈륨-비소(gallium arsenide) 반도체로 소형 레이저를 만드는 1960년대 연구에서 시작되었다. 현재, 헤테로구조는 장치 속의 전기적 및 광학적 특성을 설계하고 제어하는 도구로서 반도체 산업에서 매우 광범위하게 사용되고 있다. 최근에, 그래핀과 같은 원자적으로 얇은 2차원 결정들이 상대적으로 약한 반데르발스 힘에 의해서 원자적으로 얇은 층을 형성하는 새로운 형태의 헤테로구조가 만들어지고 있다.

반데르발스 헤테로구조(van der Waals heterostructure)라고 불리는 이 새로운 구조는 원자적으로 얇은 수많은 층을 적층시켜서 새로운 메타물질과 장치를 만들 수 있다. 기존에 발견된 3차원 재료들로도 수백 가지의 조합이 가능하기 때문에 새로운 특성을 가진 다양한 광전자장치를 만들 수 있게 될 것이다.

이번 연구에서는 전이 금속 칼코겐화물로 만들어진 반데르발스 헤테로구조를 사용했다. 두 개의 원자적으로 얇은 반도체성 전이금속 칼코겐화물을 하나의 구조로 결합시킬 때 독특한 특성이 발현되었다. 이런 물질들은 서로에게 영향을 끼쳐서 독특한 성질을 가진 완전히 새로운 메타물질을 만들어내었다. 즉, 1+1은 2가 되지 않았다.

이런 혼성화의 정도는 각 층의 원자격자 간의 비틀림에 강하게 의존했다. 층들을 비틀었을 때, 헤테로구조에서 모아레 초격자(moiré superlattice)라고 불리는 새로운 초원자적 평면이 발생했다.

이러한 모아레 초격자는 비틀림 각도(twist angle)에 의존하고, 두 개의 2차원 반도체의 특성을 혼성화하는데 매우 중요한 역할을 한다. 이런 재료들은 새로운 유형의 장치를 만드는데 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다.

이 연구결과는 새로운 하이브리드 재료의 특성들이 두 개의 적층된 원자층을 비틂으로써 정확하게 제어될 수 있다는 것을 보여주었는데, 이것은 복합 재료와 나노장치의 나노크기 제어를 가능하게 할 것이다.

이 연구결과는 저널 Nature에 “Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures” 라는 제목으로 게재되었다.