반데르발스 계면에서 가역적 광전도 거동 최초 밝혀

부산대, 1조분의 1초 만에 변하는 전류 음→양 전환 메커니즘 규명

- 물리학과 김지희 교수팀, 게이트 전극 없이 미세 전압만으로 초고속·가역적 광전도 신호 전환 제어

- 차세대 AI·양자연산 핵심 기술 부상 전망

□ 부산대학교 연구진이 켜고 끄는 전류의 흐름을 넘어, 전류 응답의 부호(음성→양성)를 1조분의 1초 단위에서 전환하는 현상을 최초로 밝혀냈다. 이번 성과는 차세대 초고속 AI 연산, 양자정보 소자와 같은 미래 핵심기술 분야 응용이 가능할 전망이다.

□ 부산대학교(총장 최재원)는 물리학과 김지희 교수 연구팀이 2차원 반도체-금속 반데르발스 계면*에서 빛이 유도한 전기장이 순간적으로 반전되며 광전도 신호가 가역적으로 전환되는 메커니즘을 처음 규명하여 세계적 권위의 국제 학술지 『사이언스 어드밴시스(Science Advnaces)』 9월 12일자에 게재되었다고 25일 밝혔다.

  ○ 기존 연구에서는 2차원 반도체-금속 계면의 내부 전기장이 정적이라 가정됐기 때문에 광전도 신호의 초고속·정밀 제어가 불가능했다. 또한 광전도 전환을 제어하려면 게이트 전극, 분극 소자, 가스 압력 조절 등 복잡한 외부 환경 변수 조정이 필요했고, 응답 속도 또한 나노초(10억분의 1초)에서 마이크로초(100만분의 1초) 수준에 머물러, 초고속·초저전력 소자 구현에 제한이 있었다.

□ 연구팀은 이러한 한계점을 해결하기 위해 초고속 광전류 분광법(Ultrafast photocurrent spectroscopy)을 활용해, MoTe2/Pt 쇼트키 접합 계면에서 광여기(光勵起, 빛에 의해 들뜬 상태)된 전하가 계면 전기장을 동적으로 반전시킴으로써 음성 광전도(negative photoconductivity, NPC)에서 양성 광전도(positive photoconductivity, PPC)로의 가역적 전환이 피코초(1조분의 1초) 단위에서 일어남을 시간 영역에서 직접 관측했다.  

  ○ 특히, 연구팀은 이번 현상을 기반으로 전압-프로그래머블 NPC/PPC 광검출기 구조를 제안 및 구현해, 수 mV 수준의 미세 전압만으로 전환 시점을 피코초 수준에서 정밀하게 제어할 수 있음을 확인했다. 이 소자는 게이트 전극이나 외부 추가 모듈 없이도 음·양 광전도 모드를 선택적으로 구동할 수 있어, 기존 광검출기의 구조적 복잡성과 전력 소모 한계를 극복했다.

□ 김지희 부산대 교수는 “이번 연구는 금속-2차원 소재 계면에서 빛-계면 상호작용을 통해 전류 응답을 피코초 단위에서 가역적으로 제어할 수 있음을 보여준 최초의 사례”라며 “향후에는 펨토초 시간 규모에 도달하는 것을 목표로 연구를 이어가고 있으며, 이는 기존 전자소자의 속도 및 전력 한계를 뛰어넘어, 차세대 포토닉 집적회로(PIC), 초고속 광통신, 초고속 이미징, 뉴로모픽 연산, 양자정보 소자 개발에 새로운 가능성 제공할 것”이라고 설명했다.

   - 논문 제목: Ultrafast reversible photoconductivity in 2D MoTe₂/Pt van der Waals heterostructure (2차원 MoTe₂/Pt 반데르 발스 계면에서 구현된 초고속 가역 광전도도 전환)

   - 논문 링크: https://doi.org/10.1126/sciadv.ady1321

※ 용어 설명

* 반데르발스 계면(Van der Waals interface): 서로 다른 물질(특히 2차원 물질)이 공유결합 없이 반데르발스 힘(분자 사이에 작용하는 약한 인력)으로 붙어 형성된 경계면.

(그림1) 초고속 광전류 분광법을 통한 음성 광전도(negative photoconductivity)에서 양성 광전도(positive photoconductivity)로의 가역적 전환이 피코초 단위에서 발생

(그림2) 전압-프로그래머블 NPC/PPC 광검출기 구조를 제안 및 구현해, 수 mV 수준의 미세 전압만으로 전환 시점을 피코초 수준에서 정밀하게 제어