기초과학연구원(IBS)은 2일 나노구조물리 연구단 이영희 단장 연구팀이 2차원 물질에서 전하 캐리어(전하 운반입자) 증폭 현상을 처음으로 확인했다고 밝혔다.
전하 캐리어는 빛 에너지가 반도체에 부딪혀 전자(-)와 양공(+)으로 나뉘어 전류가 흐르도록 하는 역할을 하는 입자를 말한다. 일반적으로는 광자(빛 입자) 1개당 한 쌍의 전하 캐리어를 발생시킨다. 광자 에너지가 밴드갭의 두 배 이상일 경우에는 두 쌍 이상의 캐리어를 발생시키는 증폭 현상이 일어나는데, 지금까지 2차원 물질에서는 확인된 바 없다.
연구팀은 차세대 태양광 소재로 주목받는 전이금속 칼코젠 화합물에서 처음으로 캐리어 증폭 현상을 관찰해 냈다. 그동안 전이금속과 칼코젠 사이 결합이 쉽지 않아 대면적 합성이 일반화되지 못했지만, 3년여의 연구 끝에 전이금속 화합물 중 '몰리브덴 텔루라이드와 텅스텐 다이셀레나이드 화합물'을 대면적으로 만드는 데 성공했다.
이 화합물을 초고속 분광법을 이용해 분석한 결과 펨토초(1천조분의 1초) 수준에서 발생하는 캐리어 현상을 확인했다. 태양전지 소재로 활용하면 현재 실리콘 태양전지가 낼 수 있는 광변환 효율(33.7%)보다 10% 포인트 이상 높은 46%까지 효율을 끌어올릴 수 있다고 연구팀은 설명했다. 제1저자인 김지희 IBS 연구위원은 "전이금속 칼코젠 화합물의 뛰어난 광학적 특성을 광검출기, 태양전지 등 다양한 광전자 분야에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 2일 자 온라인판에 실렸다.
