한양대학교 양자물질 극한물성 교육연구단에 참여하고 있는 정문석 교수(교신저자)와 정현 박사(공동제1저자), 조가현 박사과정 학생 (공동제1저자)가 2차원 양자물질의 스트레인에 민감한 광 특성을 발견하여 세계적으로 권위 있는 저널 “Applied Surface Science” (Impact factor: 6.7, JIF Rank: < Top 5%)에 논문을 게재하였다.
대표적인 층상 양자물질인 단일층(1L) 전이 금속 칼코게나이드(TMD)은 스트레인에 의해 광학 및 전기적 특성을 제어할 수 있어 스트레인 엔지니어링을 이용한 응용 분야 확대가 가능하다. 라만 분광과 광발광(PL) 분광은 1L TMD의 스트레인 연구에 가장 널리 사용되는 분석 도구이다. 1L TMD의 스트레인 엔지니어링에 대한 연구가 보고되었지만, 현재까지는 0.2% 이상의 스트레인을 가진 결과만 보고되었다. 1L TMD의 스트레인을 정확하게 제어하고 응용 분야를 확장하기 위해서는 낮은 스트레인에서의 광학 특성 변화를 체계적으로 연구할 필요가 있다.
본 연구에서는 금 Honeycomb patterned template(HPT)을 사용하여 0.2% 이하의 낮은 스트레인에서 민감하게 변하는 1L TMD의 광학 특성을 연구하였다. 화학 기상 증착(CVD)을 통해 성장한 1L WSe2를 Au HPT에 전달하고 공초점 라만 및 PL 분광을 사용하여 스트레인에 의한 광학 특성 변화를 평가하였다. 흥미롭게도 스트레인에 민감한 것으로 알려진 라만 산란은 0.2% 미만의 스트레인에서 변화하지 않았지만, 1L WSe2의 PL 특성은 낮은 스트레인에서 민감하게 변했다. 0.2%만큼 낮은 스트레인에도 민감한 1L WSe2의 PL 특성은 밀도 함수 이론 계산을 통해 이론적으로 검증되었다. 이 결과는 1L TMD의 광학 특성을 더 낮은 스트레인 영역에서 효과적으로 제어할 수 있음을 보여준다. 특히 PL 특성의 민감한 스트레인 의존성은 1L TMD 기반 광전자 소자의 성능 향상을 위해 매우 중요할 것으로 생각된다. 향후 이러한 연구 결과를 바탕으로 1L TMD의 스트레인 엔지니어링을 통한 다양한 응용 기술 개발이 가능할 것으로 기대된다. 본 연구는 낮은 스트레인에서 1L TMD의 광학 특성 변화를 체계적으로 연구했다는 점에서 의미가 크다. 이를 통해 1L TMD의 스트레인 제어 및 응용 기술 개발에 새로운 지평을 열 수 있을 것으로 기대된다.