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나노미터 크기 양자점 반도체 성능 저하 새 원인 밝혔다

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나노미터 크기 양자점 반도체 성능 저하 새 원인 밝혔다

2021.02.03 10:18
IBS "전도대 영역 전자·정공 결합 1천조분의 1초 단위로 처음 관찰"

IBS "전도대 영역 전자·정공 결합 1천조분의 1초 단위로 처음 관찰"

 

 


인트라밴드 오제현상 모식도
 
[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

 

 

기초과학연구원(IBS)은 분자 분광학·동력학 연구단 조민행 단장(고려대 화학과 교수) 연구팀이 시분해 분광법을 이용해 양자점 반도체의 성능을 떨어뜨리는 새로운 원인을 찾아냈다고 3일 밝혔다.

 

양자점(Quantum Dot)은 수 나노미터(㎚·10억분의 1m) 크기의 반도체 입자이다.

 

효율이 높고 광자 방출 속도가 빨라 태양전지, 반도체, 디스플레이 등 다양한 분야에 활용된다.

 

양자점 기술의 핵심은 외부 에너지(빛)를 받아 들뜬 전자가 어떤 경로를 거쳐 정공(hole·전자가 사라진 빈자리)과 다시 결합하는지에 달려 있다.

 

들뜬 전자가 빛 방출 없이 정공과 빠르게 결합하는 '오제현상'은 양자점의 발광 효율을 떨어뜨리는 주요 원인으로, 양자점 응용을 위해 해결해야 할 과제로 꼽힌다.

 

들뜬 전자의 움직임을 파악하기 위해 많은 분광학 연구들이 진행되고 있지만, 전자의 에너지 준위가 바뀌는 과정이 복잡해 관찰이 어려웠다.

 

연구팀은 펨토초(1천조분의 1초) 단위로 시료를 분석할 수 있는 '펨토초 시분해 분광법'을 이용해 양자점의 '전도대'(전자가 비어있는 영역)에서 벌어지는 복잡한 전자 전이 과정을 실시간으로 관측하는 데 성공했다.

 

관찰 결과 약 1피코초(1조분의 1초) 안에 전자와 정공이 재결합하는 현상을 발견하고, 이를 '인트라밴드 오제현상'(Intraband Auger Process)이라 명명했다.

 

기존 오제현상은 전자가 차 있는 '가전자대' 영역에서 일어나는 현상으로, 전도대 영역에서 전자·정공 결합 과정을 밝힌 것은 이번이 처음이다.

 

조민행 단장은 "전도대 내 전자 전이만을 선택적으로 관측한 결과 양자점 기술의 성능을 떨어뜨리는 또 다른 요인을 찾아냈다"며 "반도체 양자물질의 효율을 개선하는 데 기여할 것"이라고 말했다.

 


조민행 단장
 
[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

 

이번 연구 결과는 국제 학술지 '매터'(Matter) 지난달 30일 자 온라인판에 실렸다.

 

연합뉴스

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