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NEW 아주대∙UNIST, 차세대 반도체 소자 적용 기대 ‘엑시톤’ 상호작용 향상 기술 개발
- 2025-11-10
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아주대∙UNIST 연구팀이 이황화텅스텐(WS₂) 나노닷(Nanodot)을 이용해 반도체 내부의 준입자인 ‘엑시톤’ 간의 상호작용을 강화할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 엑시톤의 특성을 잘 활용하면 기존에 없던 새로운 형태의 반도체 소자를 만들 수 있어 최근 활발히 연구가 이루어지고 있다.
이번 연구 결과는 ‘WS₂ 나노점을 이용한 엑시톤 상호작용 증가 연구(Laterally Confined Monolayer WS₂ Nanodot for Enhanced Excitonic Interaction)’라는 제목으로 나노 분야 글로벌 저널 <나노 레터스(Nano Letters)> 10월 온라인판에 게재됐다.
해당 연구는 아주대학교 물리학과와 울산과학기술원(UNIST) 연구진의 공동연구로 수행됐다. 아주대 에너지시스템학과 임승재 연구원과 UNIST 신소재공학과 여정인 연구원이 공동 제1저자로 참여했고, 아주대 물리학과 이재웅 교수와 UNIST 신소재공학과 서준기 교수가 공동 교신저자로 연구를 이끌었다.
‘엑시톤’이란 반도체 내부에서 전자와 정공(hole)이 결합해 형성되는 준입자(quasiparticle)로, 반도체의 전기적·광학적 특성을 결정하는 핵심 요소다. 이러한 준입자들이 나노미터 수준의 좁은 공간에 갇혀 있을 때 나타나는 양자 상태의 변화를 ‘양자 구속효과’라고 한다. 특히 두께가 1nm 이하인 2차원 반도체에서는 엑시톤이 이차원 평면 상에 갇혀 있기 때문에 양자 구속효과로 인한 엑시톤 간 상호작용이 매우 강하게 나타난다. 이에 준입자가 여러 개 결합한 다체 준입자(many-body quasiparticle) 연구가 활발히 진행되고 있다. 슈퍼 컴퓨터 보다 월등히 빠른 양자 컴퓨터나 해킹이 불가능한 양자 암호 통신 등 새로운 양자 기술 개발의 토대를 마련하기 위해서다.
공동 연구팀은 빛이나 전자빔을 사용하는 기존 나노점 합성법과 달리, ‘다공성 박막 기반 합성법’을 개발해 높은 결정성을 가진 이황화텅스텐(WS₂) 이차원 나노점 제작에 성공했다. 새로 개발된 나노점은 두께가 1nm 이하에 크기는 수십 nm로, 기존 이차원 소재가 갖고 있는 수직 방향의 양자 구속효과 뿐만 아니라, 수평 방향의 움직임을 제한해 추가적인 양자 구속효과를 유도함으로써 엑시톤 밀도를 크게 증가시킬 수 있었다.
그 결과 연구팀은 기존 이차원 시료에서는 관측이 매우 어려웠던 엑시톤 2개가 결합된 바이엑시톤 상태를 관측하는 데 성공했다. 또한 이황화텅스텐(WS₂) 나노점 구조에서 발생하는 빛의 밸리 분극(valley polarization) 특성도 향상되어, 밸리트로닉스(valleytronics) 기반 양자정보 소자 개발 가능성을 제시했다.
이재웅 아주대 교수는 “이번 연구는 ‘엑시톤’의 특성을 제어하기 위해 새로운 방향을 제시한 것으로, 양자정보 소자의 설계에 활용될 수 있다”라며 “앞으로 양자광학 연구와 차세대 반도체 소자 개발 등에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 교육부의 G-LAMP 사업, 과학기술정보통신부의 기초연구실지원사업, 나노·소재기술개발사업, 양자정보 인적기반 조성 사업의 지원을 받아 수행됐다.
이차원 WS2 나노닷의 모식도 및 엑시톤에 의한 발광 신호를 보여주는 이미지
* 위 사진 - 이재웅 교수팀의 연구 모습