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영국 맨체스터 대학(The University of Manchester), 폴란드 바르샤바 대학(University of Warsaw), 프랑스 고자기장 연구소(High Magnetic Field Laboratory in Grenoble), 일본 국립 재료과학 연구소(National Institute for Materials Science)의 연구진은 기존의 LED보다 훨씬 더 낮은 전압에서 작동되는 LED를 선보였다. 매우 얇은 반도체를 레고처럼 결합시키면 낮은 전압에서 빛을 방출할 수 있었고, 이것은 저에너지 작동 장치를 개발하는데 매우 유용할 것이다. 또한 이 연구결과는 광전자장치와 통신 분야에 매우 유망하게 적용될 수 있을 것이다. 다양한 재료를 적층함으로써 헤테로 구조를 만드는 연구는 1960년대부터 시작되었다. 오늘날, 헤테로 구조는 일반적이며 장치의 전기적 및 광학적 특성을 설계하고 제어하는 도구로서 반도체 산업에 매우 광범위하게 사용된다. 최근에, 그래핀과 같은 2차원 결정을 반데르발스 힘으로 서로 적층시켜서 새로운 유형의 헤테로 구조를 만드는 연구가 주목받고 있다. 반데르발스 헤테로구조라고 불리는 이 새로운 구조는 매우 얇은 원자 층들을 적층함으로써 기존과는 다른 새로운 장치를 만들 수 있게 한다. 수백 가지의 조합이 가능하기 때문에 기존의 3차원 소재로는 불가능한 것을 가능하게 한다. 특히, 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenides)의 발광 특성에 초점을 맞춘 많은 연구들이 진행되었다. 이번 연구진은 서로 다른 전이금속 디칼코게나이드 속의 전자와 정공을 결합시켰다. 이런 여기자(전자와 정공)가 비-방사성으로 재결합될 때 방출된 에너지는 다른 캐리어로 전달되어서 이 캐리어가 더 높은 에너지 상태가 되게 한다. 결과적으로 원래는 에너지가 너무 낮아서 재료의 밴드갭을 극복할 수 없었던 전하 캐리어가 이런 장벽을 쉽게 넘어서 재결합하여 빛을 방출한다. 이런 현상을 상향전환(upconversion)이라고 부른다. 이번 연구진은 이황화몰리브덴(MoS2)과 텡스텐 디셀레나이드(Tungsten diselenide, WSe2) 사이에 육방정계 질화붕소가 적층된 구조를 만들었고, 그래핀 전극은 절화붕소를 통해서 전하 캐리어를 전기적으로 주입하는데 사용되었다. 질화붕소를 첨가함으로써 전이금속 디칼코게나이드 간의 거리를 변화시킬 수 있었고, 이것은 LED를 저전압에서 작동하게 했다. 이런 상향변환 방출은 반데르발스 형태의 헤테로 구조에서 층간 여기자에 대한 오제 효과(Auger effect)가 중요하다는 것을 보여준다. 이 연구결과는 광전자 분야뿐만 아니라 층간 엑시톤 응축(interlayer exciton condensation)에도 중요한 역할을 할 것이다. 특히, 이번에 개발된 방법은 원자적으로 매우 얇은 물질을 적층시킴으로써 장치의 특성을 매우 바꿀 수 있기 때문에 더욱 매력적이다. |
