[나노 박막 해테로 구조로 전자와 정공 분리해 밸리 제어 성공]

전자의 특성을 이해하고 제어하는 기초 과학 기술은 인류 사회에 혁명적인 변화를 일으켰다. 70년 전 전자가 갖는 전하(charge)를 제어해 만든 트랜지스터는 오늘날 컴퓨터와 스마트폰의 심장에 해당하는 핵심부품이다. 전자의 스핀(spin)을 제어해 만든 하드디스크는 30년 전 정보화 혁명을 이끈 핵심 메모리 기술이었다. 최근엔 밸리(valley)라고 하는 새로운 전자의 특성이 보고돼, 수많은 연구자가 밸리를 제어하려는노력을 시도하고 있다.

신소재공학과 김종환 교수는 UC 버클리대학교와의 공동 연구를 통해 나노 박막 해테로 구조를 이용해 전자(음전하)와 정공(양전하)을 극초고속으로 분리해 밸리 제어에 한발 다가섰다. 이 연구는 기초과학의 토대를 만든 성과를 인정받아 사이언스(Science) 자매지인 사이언스 어드밴스(Science Advances)를 통해 발표됐다.

그동안 이론적으로는 원자 수준 두께의 나노 박막이 전자 밸리 특성을 잘 살릴 수 있을 것으로 기대됐다. 하지만 실제 실험 결과 밸리 특성이 수 피코초 만에 파괴돼 소자로 응용될 수 없을 것이라는 어두운 전망이 이어져 왔다. 김종환 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 밸리 특성이 파괴되는 이유가 음전하가 양전하와 함께 있기 때문이라는 사실에 착안해 나노 박막 해테로 구조를 통해 양전하와 음전하를 분리해 내는 방법을 고안해 냈다. 이 방법을 통해 전자 밸리 특성을 보호하고 기대 수명을 수 피코초에서 약 백 만 배 가량 늘린 1마이크로 수준으로 구현했다.

연구팀 김종환 교수는 “나노 신소재 원천 기술을 이용해 밸리를 기반으로 미래의 전자, 메모리, 광소자의 토대가 될 튼튼한 기초과학의 토대를 만들었다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.
 

1. 밸리 (Valley)
밸리는 결정성이 강한 고체 내에 전자가 갖는 새로운 특성이다. 전하나 스핀과 달리 밸리는 전자의 결정 운동량 (crystal momentum)에 정보가 저장되는데, 이를 이용해서 양자 정보를 저장할 수 있는 등 미래 전자 소자/ 광소자로서 큰 가능성을 갖고 있다.

2. 해테로 구조 (Heterostructure)
전기적인 성질이 다른 두 물질을 합친 구조를 일컫는다. 다양한 물질의 조합과 구조를 통해 한 가지 물질에서만 얻을 수 없는 전기적, 광학적 특성을 구현하고 자유롭게 조절할 수 있다.