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원자 폭이 얇거나 2 차원인 물질에서 이색적인 행동을 일으키는 것이 무엇인지 알아보고 레고 블록을 다른 초박형 물질과 다른 조합으로 쌓아 놓았을 때 어떤 일이 일어나는지를 알아 내기 위해 과학자들은 그들의 특성을 가능한 가장 작은 크기로 관찰하고 싶어한다. 미국 에너지 부 로렌스 버클리 국립 연구소 (Berkeley Lab)의 첨단 광원 (Advanced Light Source, ALS))에서 X 선 실험을 위한 차세대 플랫폼인 MAESTRO가 현재 이상한 2 차원 세계에 대한 새로운 미세한 모습을 제공하고 있다. 최근 네이처 피직스 (Nature Physics, 'Giant spin-splitting and gap renormalization driven by trions in single-layer WS2/h-BN heterostructures') 저널에서 연구팀은 미세 해상도의 2-D 물질에서 전자들의 특이한 거동 특징을 관찰했다. 이 실험으로부터 얻은 새로운 통찰력은 연구한 2-D 반도체 재료의 특성인 이황화 텅스텐 (WS2)은 전자 및 기타 정보 저장, 처리 및 전달에 대한 가능한 응용을 통해 고도로 조정할 수 있음을 보여준다. 이러한 응용에는 스핀트로닉스, 엑시토닉스, 밸리트로닉스와 같은 새로운 연구 분야에서 개발된 차세대 장치가 포함된다. 이 분야에서 연구자들은 물질의 전자 및 상대 입자에서 운동량 및 에너지 수준과 같은 특성을 조작하여 정보를 보다 효율적으로 전달하고 저장한다. 이는 기존의 컴퓨터 메모리에서 1과 0을 뒤집는 것과 유사하다. 예를 들어, 스핀트로닉스는 전하가 아닌 스핀이라고 알려진 전자의 고유한 특성을 제어한다. 엑시토닉스는 태양 전지판 및 LED 조명의 효율성을 향상시키기 위해 장치의 전하 운반체를 증가시킬 수 있다. 밸리트로닉스는 정보를 저장하는 데 별개의 포켓 또는 '계곡'으로 재료의 전자 구조에서 분리를 사용한다. MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory)를 사용하여 측정한 신호는 물질의 전자 구조와 관련된 두 가지 에너지 준위 또는 '밴드'사이의 분열이 상당히 증가한 것으로 나타났다. 이러한 증가된 분리는 스핀트로닉스 장치에서의 잠재적인 이용을 잘 보여준다. WS2는 이미 빛과 강하게 상호 작용하는 것으로 알려져 있다. 새로운 발견은 이전에 알려진 특성과 결합하여 전자를 빛의 방출을 제어하는데 사용할 수 있는 광전자 공학의 유망한 후보물질로 만들고 그 반대 빛의 흡수도 마찬가지이다. 최신 연구는 원칙적으로 장치의 전기장을 이용하여 이러한 주요 특성을 변화시키는 능력을 보여주었다. 이 재료와 다른 재료의 전자 구조의 기능을 설계하는 능력은 이러한 가능성을 실현하는데 매우 유용할 수 있다. 연구팀은 지금 엄청난 양의 다양한 재료를 연구하고자 한다. 그들의 전자적 행동을 측정하고 이러한 효과가 어떻게 더 작은 규모로 발전하는지 연구하려 한다. 또한 이 연구는 전자와 엑시톤의 이종 3 입자 조합인 3 족 원소가 2 차원 물질에서 측정한 효과를 설명할 수 있다고 제안했다. 홀과 전자는 모두 대중적인 전자 장치에서 발견되는 반도체에서 전하 캐리어 역할을 한다. 연구자들은 MAESTRO 빔라인에서 ARPES (angle-resolved photemission spectroscopy)의 한 형태를 사용하여 X 선을 사용하여 샘플에서 전자를 제거하고 방출된 전자의 방향과 에너지로부터 샘플의 전자 구조에 대해 연구했다. 이 기술은 물질 내의 전자가 서로 상호 작용하는 방식을 해결할 수 있다. 두 개 이상의 다른 입자와 상호 작용하는 입자에 대한 직접적인 관찰은 거의 없다. 전에 불가능했던 그러한 '다체' 상호 작용을 직접 관찰하는 목표로 세워졌다. 2016 년 과학자들에게 개방된 MAESTRO는 연구원들이 오염으로부터 보호할 수 있는 깨끗한 상태를 유지하면서 X-선 조사를 위해 시료를 조작할 수 있게 해주는 여러 스테이션을 갖추고 있다. MAESTRO는 단백질과 백신에서부터 배터리 및 운석에 이르기까지 다양한 시료에 특화된 수십 개의 X 선 빔라인 중 하나이다. MAESTRO의 정확한 측정 외에도, 최신 연구결과는 연구를 위한 충분한 크기의 텅스텐 이황화물 조각을 조심스럽게 준비하고 전자 특성을 방해하지 않거나 X-선 측정을 방해하지 않는 기본 소재 (기판) 로의 이동도 중요했다. 2 차원 물질은 주변 환경에 매우 민감하므로 특성에 영향을 주는 외부 방해의 역할을 완전히 이해하는 것이 필수적이다. 연구팀은 샘플을 준비하고 실험을 디자인했다. 그들은 WS2 샘플을 질화 붕소와 결합시켰는데, 이는 X 선 측정에 결정적인 안정적인 비 상호 작용 플랫폼을 제공했다. 그런 다음 WS2의 속성을 수정하기 위해 '외부 손잡이'로 금속을 사용했다. 이 연구는 2 차원 물질의 고유 특성을 측정할 때 외부 효과를 제거하는 방법에 대한 명확한 근본적인 이해를 제공하고 단순히 환경을 수정하여 2 차원 물질의 특성을 조정할 수 있게 했다. WS2 샘플의 고유한 전자 특성을 보는 것은 중요한 단계였지만 아마도 이 연구의 가장 큰 놀라움은 도핑 (doping)이라고 불리는 과정에서 전자의 수를 늘리기 시작했다는 것이다. 이것은 WS2의 밴드 구조에서 분열의 극적인 변화를 가져온다. MAESTRO는 수십 마이크론 정도의 매우 작은 샘플 크기를 처리 할 수 있다. 이것과 다른 2-D 재료를 연구하는 열쇠이기도 하다. 2 차원 재료의 기본 특성을 보다 잘 이해하기 위해 작은 크기에서 재료의 특성을 해결하는 큰 노력이 있다. 과학자들은 이제 MAESTRO의 기능을 더욱 작은 물체를 나노크기로 연구하도록 추진하고 있다. 2-D 층을 적층하여 특수한 응용 분야의 특성을 맞추기 위한 연구 개발을 가속화하고 있으며, MAESTRO는 이러한 적층 재료의 전자 특성을 측정하는데에도 적합하다. 연구팀은 두 가지 재료를 결합하여 특성에 매우 명백한 영향을 볼 수 있으며, 어떤 재료를 결합할 때 이러한 효과가 어떻게 변하는지 알 수 있다. 이 2 차원 레고의 세계에는 무한한 가능성이 존재한다. 이제 이 매혹적인 행동에 대한 또 다른 시각을 가지고 있다. |
