[박홍규 교수] 2차원물질의 역학적 변형을 이용한 엑시톤 수송 제어 연구 (Nature Communications 논문 게재)
[연구 필요성]
전이금속 디칼코게나이드(TMD)를 포함한 2차원 반데르발스 반도체는 지난 10년 동안 독특한 스핀-밸리 결합과 낮은 차원의 빛-물질 상호작용으로 인해 많은 주목을 받아왔다. 2차원 반도체에서 나타나는 전자-정공쌍인 엑시톤은 상온에서도 높은 결합에너지와 안정성을 보이므로, 밸리트로닉스 및 단일광자 방출 등의 현상을 통해 다양한 양자정보기술에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 따라서, 엑시톤을 기반으로 한 초고속, 고효율의 광전자회로를 구성하기 위한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 하지만, 정보 전송을 위해 엑시톤을 국소화하고 수송을 제어하는 것이 2차원 엑시톤 소자 개발의 가장 중요한 요건임에도, 이를 구현하는 것은 여전히 어려운 일이다. 특히, 엑시톤의 전하 중립적 특성으로 인해 엑시톤의 전기적 변조는 특정 유형의 엑시톤에서만 가능하다. 엑시톤을 보다 체계적으로 조작하고 제어하기 위해, 보편적이고 새로운 기술이 필요한 상황이다.
[연구성과/기대효과]
[연구성과/기대효과]
본 연구에서는 재구성 가능한 단일층 텅스텐 디셀레나이드(WSe2) 주름(wrinkle) 구조에서 효율적이고 제어 가능한 상온 엑시톤의 수송을 성공적으로 관찰하였다. 광학적으로 분해 가능하고 2.4%의 높은 국소 스트레인 변형을 갖는 WSe2 주름 구조에서 펌프-프로브와 시간 분해 광특성 측정을 통해 마이크로미터 스케일의 ‘엑시톤 깔대기’ 효과를 확인했다. 주름이 없는 WSe2 단일층에서는 엑시톤이 등방성으로 확산되는 반면, 주름 구조에서는 엑시톤 수송이 주름의 골짜기에서 꼭대기까지 방향성을 가질 뿐 아니라, 엑시톤이 2.5 μm 거리까지 움직이는 현상을 관찰했다. 이러한 결과는 이론적인 계산 결과와도 잘 일치했는데, 역학적 변형을 통해 엑시톤 수송을 효과적으로 제어할 수 있음을 보인 성공적인 결과이다. 따라서, 본 연구는 엑시톤 위상 전이에 대한 엑시톤 수송 및 국소화를 탐구할 수 있는 기회를 제공하고, 기계적으로 재구성할 수 있는 스트레인 양자 소자의 개발을 가능하게 한다. 가변 자기성과 이방성 열전도도 등 새로운 기능성을 갖는 다양한 2차원 재료의 플랫폼 또한 구현 가능할 것으로 기대된다.
[Abstract]
Tightly bound electron-hole pairs (excitons) hosted in atomically-thin semiconductors have emerged as prospective elements in optoelectronic devices for ultrafast and secured information transfer. The controlled exciton transport in such excitonic devices requires manipulating potential energy gradient of charge-neutral excitons, while electrical gating or nanoscale straining have shown limited efficiency of exciton transport at room temperature. Here, we report strain gradient induced exciton transport in monolayer tungsten diselenide (WSe2) across microns at room temperature via steady-state pump-probe measurement. Wrinkle architecture enabled optically-resolvable local strain (2.4%) and energy gradient (49 meV/μm) to WSe2. We observed strain gradient induced flux of high-energy excitons and emission of funneled, low-energy excitons at the 2.5 μm-away pump point with nearly 45% of relative emission intensity compared to that of excited excitons. Our results strongly support the strain-driven manipulation of exciton funneling in two-dimensional semiconductors at room temperature, opening up future opportunities of 2D straintronic exciton devices.