원자층 두께 2차원 반도체 초격자 구조 신물질 구현했다

기초과학연구원(IBS)

2차원 소재 차곡차곡 쌓아 새 인공 물질 자유롭게 디자인

9층까지 반복, 국제 학술지 연구결과 게재

전자현미경으로 관찰한 2차원 반도체 초격자 *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 원자제어저차원전자계 연구단 조문호 부연구단장 연구팀이 서로 다른 원자층 반도체를 차곡차곡 쌓는 물질성장법을 개발, 원자층 두께의 2차원 반도체 초격자 구조를 가진 신물질을 세계 최초로 구현했다고 19일 밝혔다.

2차원 반도체 물질을 두 층의 단일 접합을 통해 만드는 기술은 있으나, 층과 층 사이에 약한 공유 결합으로 인해 박막이 균일하게 쌓이지 않아 3층 이상으로 쌓지는 못했다.

이번 연구에서 IBS 연구진은 접합기술을 연속으로 사용, 서로 다른 원자층 반도체가 9층까지 반복되는 반도체 초격자 구조를 처음으로 구현하는데 성공했다.

연구진은 금속유기화학증착법을 이용해 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS2), 이황화텅스텐(WS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 등을 종류와 순서를 제어하면서 쌓아 새로운 구조를 가진 인공 반도체 소재를 개발했다.

연구진이 개발한 2차원 반도체 초격자 구조 성장법을 이용하면 원자층 수준에서 원자 종류와 주기의 인위적 제어가 가능하다.
 
이는 새로운 인공 물질을 자유자재로 디자인할 수 있어 다양한 전자 구조를 갖는 반도체 기술로 이어질 수 있다.

2차원 반도체 초격자를 이용한 양자 정보(밸리) 저장. 2차원 반도체 초격자 구조의 원자층 수가 증가할수록 축적되는 밸리 자유도의 양이 증가하는 것을 볼 수 있다. *재판매 및 DB 금지

연구진은 모든 단일층의 2차원 반도체 소재가 밸리 자유도를 가져 2가지 이상 값을 동시에 나타내거나 병렬 연산이 가능한 양자 정보 저장 가능성도 확인했다. 밸리는 2차원 반도체 초격자 구조에서 양자 정보의 매개체로 이용될 수 있다.

연구진은 "2차원 반도체 초격자 구조의 원자층 수가 증가할수록 축적되는 밸리 자유도의 양이 증가하는 것을 볼 수 있었다"면서 "이는 개발된 2차원 반도체의 초격자 구조가 양자 정보를 저장할 수 있는 양자 반도체 플랫폼으로 응용될 수 있다는 것을 의미한다"고 설명했다.

이를 통해 연구진은 초격자 반복 횟수와 저장되는 양자 정보가 비례하고 해당 정보는 남아 있다는 사실을 확인, 새로운 반도체 초격자가 양자 정보 연산이 가능한 양자 반도체 플랫폼에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

연구결과는 국제 학술지 '네이처 나노테크놀로지'(IF=39.213)에 16일자로 게재됐다. 논문명 Heteroepitaxial van der Waals semiconductor superlattices

교신저자인 조문호 부연구단장은 "2차원 반도체 초격자 구조는 현대 전자 소자 또는 광소자 반도체 기술에 새로운 방향성을 제시할 것"이라며 "향후 차세대 양자컴퓨팅 소자 분야의 원천기술 중 하나가 될 수 있다"고 말했다.


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