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원자적으로 얇은 반도체가 레고 스타일로 결합되면 낮은 전압에서 빛을 방출하여 잠재적으로 낮은 에너지 소비 장치가 된다. 이 연구는 기본적인 연구 단계이지만 광전자 소자 및 통신 분야의 실용적인 응용 분야에 대한 전망을 보여주고 있다. 오늘날, 헤테로 구조는 일반적이며 디바이스의 전자 및 광학 특성을 설계하고 제어하는 도구로서 반도체 산업에서 매우 광범위하게 사용된다. 최근에, 그래핀과 같은 원자적으로 얇은 2 차원 (2D) 결정의 시대에, 상대적으로 약한 반 데르 발스 힘에 의해 원자적으로 얇은 층이 함께 유지되는 새로운 유형의 헤테로 구조가 출현했다. 반 데르 발스 헤테로 구조로 알려진 새로운 구조는 수많은 원자 층 얇은 층을 쌓아서 수많은 디자이너 소재 및 새로운 장치를 창조하는 거대한 잠재력을 열었다. 기존의 3 차원 소재로는 수백 가지의 조합이 가능해지기 때문에 잠재적으로 새로운 미공개 광전자 장치 기능이나 특이한 재료 특성에 접근할 수 있다. 전이 금속 디칼코게나이드의 발광 특성에 초점을 둔 세계 여러 연구 그룹이 수행한 많은 실험이 있다. 그러나, 종종 이러한 연구는 순전히 광학적 수단에 의해 수행된다. 실용적인 응용을 위해서는, 전기적으로 촉발된 발광이 더 바람직하다. 네이처 커뮤니케이션스 (Nature Communications, 'Upconverted electroluminescence via Auger scattering of interlayer excitons in van der Waals heterostructures')에 발표된 바와 같이 전기를 사용하여 연구 결과를 얻었다. 연구팀은 다른 전이 금속 디칼코게나이드, 즉 층간 엑시톤 (interlayer excitons)에 전자와 정공을 결합시켰다. 이러한 엑시톤이 비 방사성, 오제 효과를 재결합할 때 실험 조건을 만들었다. 방출된 에너지는 더 높은 에너지 상태로 이동할 수 있는 다른 캐리어로 전달된다. 결과적으로 원래 에너지가 너무 낮아 물질의 밴드갭을 극복할 수 없었던 전하 캐리어가 이 잠재적인 장벽을 쉽게 넘어서고 재결합하여 빛을 방출할 수 있다. 이 효과를 업 컨버전이라고 한다. 그래핀 전극은 이종 구조로 몰리브덴 디설파이드 (MoS2)와 텅스텐 디셀레나이드 (WSe2)로 적층된 육각형 질화 붕소를 통해 전하 캐리어를 전기적으로 주입하는데 사용된다. 그 사이에 질화 붕소를 첨가함으로써 전이 금속 디칼코게나이드 사이의 거리를 변화시킴으로써 LED를 정상 동작에서 저전압 동작으로 튜닝하고 상향 변환의 효과를 관찰할 수 있다. 근본적인 관점에서 관찰된 효과는 반 데르 발스 헤테로 구조의 엑시톤 응축 및 초 유체 성의 실현을 향한 중요한 단계를 나타낸다. 연구팀은 최초의 MoS2/WSe2 소자를 측정하기 시작했을 때 낮은 인가 전압에서 방출을 관찰하는 것이 정말 놀라워 했다. 이 상향 변환된 방출은 반 데르 발스 헤테로 구조에서 층간 여기자에 대한 오제 공정의 중요성을 인상적으로 보여준다. 연구 결과는 광전자 응용뿐만 아니라 층간 엑시톤 응축과 같은 근본적인 현상에서도 결정적으로 중요하지 않은, 고도로 탐구되지 않은 높은 캐리어 밀도 영역에서 물리학에 대해 더 많은 관심을 갖게 했다. |
