IBS "전도대 영역 전자·정공 결합 1천조분의 1초 단위로 처음 관찰"
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.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '매터'(Matter) 지난달 30일 자 온라인판에 실렸다.
연합뉴스
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