박병주 교수 연구팀(전자바이오물리학과), 2차원 물질의 반데르발스 이종구조를 적용한 고성능 ‘적외선 광검출기 소자’ 연구 개발

본교 전자바이오물리학과 박병주 교수와 연구팀의 아미르 무함마드 아프잘 박사는 국제/내 공동 연구를 통해 고성능의 ‘적외선 광검출기 소자(Infrared photodetector devices)’를 개발했다.

적외선 광검출기는 통신, 동작 감지, 화학 감지, 열 영상 및 생체 의학 영상 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용되는 필수적인 광소자이다. 최근, 다양한 나노구조 재료와 구조체에서 광-물질 상호 작용을 제한하는 능력과 빠른 전하 이동 및 높은 광-전도성 등의 향상된 특성들이 보고 되었으며, 이러한 나노 구조 물체들이 적용된 고성능 광검출기 소자의 실현 가능성이 점차 증대 됨에 따라 많은 관심이 집중되고 있다. 특히 나노 구조체들 중에서 전이금속 디칼코제나이드(metal dichalcogenides, TMD)를 기반으로 한 2차원 물질의 반데르발스 이종구조체(van der Waals heterostructures, vdWH)는 매우 우수한 광-전하 다중 기능성을 나타내고 있어 큰 주목을 받고 있다.

본 ‘적외선 광검출기 소자’ 개발 연구에서는 몰리브덴 디텔루라이드(MoTe2)와 팔라듐 디셀레나이드(PdSe2)로 구성되는 새로운 구조의 반데르발스 이종구조의 전계효과 트랜지스터 (field-effect transistor, FET)를 구상하고 그 광검출 성능을 가시광 영역뿐만 아니라 근적외선 (visible and near infrared, VNIR) 영역에서의 적용 가능성을 연구하였다. MoTe2/PdSe2는 vdWH-FET소자에서 뚜렷한 이종접합 경계면과 낮은 쇼트키 장벽(Schottky barriers)을 형성하여 높은 정류 비율(rectification ratio, 6.3 × 105)의 특성을 실현하였다.

또한 매우 우수한 광반응도 (photoresponsivity: 1.2 × 105 AW-1), 특정 감지성 검출도(specific detectivity: 2.4 × 1014 Jones), 및 외부 양자 효율(external quantum efficiency, 3.5 × 106) 등의 현재 세계 최고 광검출 능력을 발현할 수 있었다. 이렇게 우수한 MoTe2/PdSe2 특성은 TMD 물질내 대역 간 전이(band-to-band transition)와 동시에 TMD 간 전하 이동 (inter-TMD charge-transfer, CT)에서 기인함을 입증하였다. 뿐만 아니라 이러한 TMD 간 전하 이동으로 인하여 2,000nm의 장파장 영역에서도 매우 빠른 응답 시간(~16 μs) 특성을 구현하였으며 이는 기존에 연구되어 보고된 소자들 보다 10배나 빠른 결과이다. 이러한 TMD 물질 기반의 vdWH-FET소자 연구는 광범위한 VNIR 파장 영역대에서 매우 민감한 차세대 광-검출기를 실현할 수 있는 플랫폼을 제공할 것으로 기대하고 있다.

한편, 본 연구는 세계 최고의 소재 및 소자 연구 전문저널인 와일리 (WILEY) 출판의 어드밴스드 사이언스 (Advanced Science, impact factor: 15.84)에 2021년도 3월호에 게재되었으며 (https://doi.org/10.1002/advs.202003713) 연구팀은 선진적인 후속 연구와 함께 진로 개발에 관심 있는 광운대 학생들의 적극적인 참여와 도전을 기대하고 있다.

아미르 무함마드 아프잘 박사, 박병주 교수, email: bcpark@kw.ac.kr