이재광 교수팀, 원자수준 강유전성 제어 비밀 풀어새로운 형태의 phonon decoupling 메커니즘 규명【왼쪽부터 진영록 대학원생, 이재광 교수】물리학과 이재광 교수 연구팀은 성균관대·포항공대와의 협력연구를 통해 원자수준까지도 강유전성이 제어되는 새로운 형태의 phonon decoupling 메커니즘을 규명했다. 물질내 격자들은 진동한다. 격자 진동을 second quantize 한 것을 phonon이라고 한다.격자들은 마치 스프링으로 연결된 것처럼 서로 연동되어 있다.이로 인해 phonon은 개별적으로 움직이지 않는다.서로 coupling되어 집단적인 운동을 보인다.이로인해, 포논은 일반적으로 collective excitation으로 간주되어 왔다. 포논이 decoupling 되어 개별적으로 움직일수 있을까 ? 만약 phonon decoupling이 가능하다면, 격자는 독립적으로 행동할수 있게된다. 강유전성은 격자의 변위에 기인한다. 따라서 phonon decoupling이 가능하다면, 원자 수준에서 강유전성의 존재/제어가 가능하게 한다. 【원자수준 강유전성 제어 phonon decoupling 메커니즘 규명】 SrFeO2.5는 brownmillerite 산화물이다. (010) 방향으로 octahedral (Oh)층과 tetrahedral (Th)층이 교대로 연결되어 있는 산화물이다 (그림). SrFeO2.5의 강유전성은 상대적으로 가벼운 산소 변위에 의해 결정된다. Oh 산소와 Th 산소 그리고 그들 사이 산소, 그들이 각각 서로 다른 spring 상수 α1, α2 으로 연결되어 원자4개로 이루어진 1차원 모델로 표현된다 (그림). 이번 연구에서 이재광 교수팀은 Oh 산소와 Th 산소가 교대로 배치되며, spring 상수가 ---α1-α1-α2-α2-α1-α1---로 특정하게 배치하는 brownmillerite 산화물에서 두 spring 상수의 비(α1/α2)가 2보다 클 때 Oh 산소와 Th 산소 격자진동이 decoupling 될수 있음을 모델 분석과 제일원리 포논 계산을 통해 규명하였다. [그림]. 연구팀은 scanning transmitted electron microscopy (STEM) 이미징을 통해 실제로 Th 층 산소 변위가 개별적으로 제어되고 이에 따라 원자수준에서 강유전성이 제어될수 있음을 실험적으로 관측하였다. 이재광 교수는 “이번 연구는 원자수준까지도 강유전성이 존재/제어되는 새로운 형태의 phonon decoupling 메커니즘을 밝혀낸 연구성과로, 향후 phonon decoupling 기반 원자수준 강유전성 제어가 가능한 양자소자 개발에 핵심자료가 될 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 논문은 부산대 물리학과 진영록 석박통합 대학원생이 제1저자, 이재광 교수와 성균관대 최우석 교수, 포항공대 최시영 교수가 공동교신저자로 수행해, ‘Sub-unit-cell-segmented ferroelectricity in brownmillerite oxides by phonon decoupling’이라는 제목으로 2025년 기준 JCR 1.12% IF 37.2인 국제학술지 Nature Materials 5월20일에 게재됐다. 논문: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02233-7 해당 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 기초연구실 (BRL) 사업과 교육부의 재원으로 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥세터의 지원을 받았다.

부산대학교 물리학과 동문인 임봉휘 박사(2022년 졸업)가 동경대학교 대학원 이학계연구과/이학부 원자핵과학연구센터(Center for Nuclear Study, CNS)에 조교수로 임용되었습니다. [임봉휘 박사]임봉휘 박사는 부산대학교 물리학과 중이온물리 실험연구실(유인권 교수님 연구실)에서 석박 통합 과정을 밟으며 핵물리학 연구에 매진했으며, 이탈리아국립핵물리연구소 INFN Torino에서 중이온 충돌 실험을 통해 고온·고밀도 환경에서 형성되는 쿼크-글루온 플라즈마(QGP) 계의 동역학을 연구하고 있습니다. 특히, 가벼운 쿼크를 포함하는 하드론의 생성량을 측정하여 QGP의 특성을 규명하는 연구를 수행하고 있습니다. 또한, 중이온 충돌 및 고에너지 물리 실험에 사용되는 첨단 반도체 검출기(Monolithic Active Pixel Sensor, MAPS)의 개발 및 운용에도 참여하며, 실험적 측정 기술의 발전에도 기여하고 있습니다.부산대학교 물리학과는 동문 임봉휘 박사의 새로운 도전을 진심으로 축하드리며, 앞으로의 연구에서도 뛰어난 성과를 거두시길 기원합니다.

김지희 교수팀, 금속-반도체 계면에서 초고속 핫캐리어 추출 및 확산 최적화 기술 제안 부산대학교 물리학과 김지희 교수 연구팀은 이진용(성균관대학교) 교수팀과 공동으로 2차원 반도체와 금속 전극 간의 접촉 계면에서의 광여기된 핫캐리어(hot carrier) 동역학을 정밀하게 분석하며, 차세대 고효율 광전 변환 소자 설계를 위한 핵심 원리를 제시하였다. 이번 연구는 국제학술지 Science Advances (IF: 11.7, JCR 상위 8.21%)에 “Ultrafast hot carrier extraction and diffusion at the MoS2/Au van der Waals electrode interface”라는 제목으로 2025년 1월 1일(한국시간) 온라인 게재되었다. 금속 전극은 발광 다이오드, 광검출기, 태양전지와 같은 최첨단 광전자 소자에서 필수적인 요소로, 빛으로 여기된 핫캐리어를 효율적으로 추출하거나 주입하는 역할을 한다. 그러나 전극과 반도체 간의 밀접한 접촉이 필연적으로 계면에서 미드갭(midgap) 상태를 유발하고, 열 증착 및 스퍼터 증착 과정에서 방사열과 금속 원자 충돌로 인해 반도체에 결함이 형성될 가능성이 있다. 이러한 결함은 Shockley-Read-Hall(SRH) 재결합을 촉진하여 핫캐리어 수명을 단축시키고, 소자 성능 저하를 유발한다. 이를 해결하기 위해 연구진은 2차원 반도체 MoS2와 금(Au) 전극 간의 다양한 접합 구조를 비교 분석했다. 이번 연구에서는 직접 증착 접합(deposited-Au), 평탄면 접합(flat-Au), 그리고 거친 표면 접합(rugged-Au)의 세 가지 구조를 선정하고, 초고속 시분해 반사 분광법(transient reflection spectroscopy)을 활용해 핫캐리어 추출 속도 및 수명을 측정했다. 실험 결과, 평탄면 접합된 금 전극(flat-Au)에서 핫홀(hot hole) 추출 속도가 310 fs로 측정되었으며, 이는 기존의 직접 증착(deposited-Au) 방식보다 더 빠르고 효율적이었다. 또한, flat-Au 구조에서는 259 ps의 긴 포토캐리어 수명이 관찰되며, 핫캐리어 손실을 최소화하는 데 효과적인 것으로 나타났다. 핵심 기술 및 핫홀 추출 메커니즘반데르발스(van der Waals) 접촉을 활용한 계면 최적화평탄면 접합에서는 전극과 반도체 사이의 강한 화학 결합을 피하고, 반데르 발스 힘을 이용해 부드러운 접촉이 형성됨.이를 통해 계면 결함을 최소화하고, 핫캐리어 재결합을 억제함.초고속 핫홀 추출평탄면 접합 구조에서는 전자가 금속 전극으로 빠르게 이동하며, 반도체 내부에 남아 있는 핫홀이 빠르게 추출됨.연구진은 이를 통해 핫홀 추출 속도가 기존 방식 대비 빠르며(310 fs), 포토캐리어 손실을 줄일 수 있음.광여기된 핫캐리어의 전이 효율 증가800 nm 펌프 레이저 실험을 통해 평탄면 접합 구조에서 핫캐리어 전이 속도가 3배 이상 증가했으며, 이는 태양전지 및 광전자 소자에서 보다 높은 효율을 실현할 수 있는 핵심 요소임.김지희 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체와 금속 전극 간의 계면에서 핫캐리어 동역학을 심층적으로 분석하여, 차세대 광전자 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 설계 방안을 제시합니다. 특히, 초고속 핫캐리어 추출 메커니즘은 핫캐리어 태양전지와 같은 초고효율 에너지 변환 기술의 핵심 요소가 될 뿐만 아니라 양자 컴퓨팅 및 양자 정보 기술에서도 중요한 역할을 할 수 있습니다.”라고 전했다. 이어 “핫캐리어는 초고속 응답성과 높은 에너지 상태를 유지하는 특성이 있어, 양자 정보 저장/전송,광-전자 변환 효율 개선 등에 활용될 수 있습니다. 또한 인공 후각 센서에서도 핫캐리어를 활용하면 가스 감지 정밀도를 높이고 응답 속도를 개선할 수 있습니다.” 라며, “이번 연구가 광전자 소자, 양자 기술, 센서 기술 등 다양한 응용 분야에 기여할 것으로 기대합니다.”라고 덧붙였다. 논문: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr1534

부산대학교 물리학과 황재진 학생(지도교수:이재광이 학업과 연구에서의 우수한 성과를 인정받아 부총리 겸 교육부장관 표창장을 수상하였습니다

김지희 교수팀, 2차원 반도체 소자의 한계를 넘다: 새로운 금속전극 공정 기술의 탄생탐침 기반 전사로 유기 잔류물 배제…고감도 광전소자 제작 가능성 입증 물리학과 김지희 교수 연구팀은 잔류물 없는 나노미터급 고해상도 공정을 구현할 수 있는 ‘반데르발스 금속 마스크(van der Waals Metal Mask)’ 기술을 개발해 2차원 물질 기반 소자 제작의 혁신적인 접근법을 제시했다. 이 기술은 기존 공정의 한계를 뛰어넘어 다양한 2D 물질 소자의 정밀 제작과 신뢰성을 대폭 향상시킬 것으로 기대된다.기존 2차원 반도체 소자 제작 공정 과정에서 가장 문제로 꼽히는 표면 유기 잔류물(Organic residue) 문제를 완전히 해결하면서, 다양한 2차원 물질의 고해상도 공정을 구현하는 새로운 방식을 제안한 것이다. 연구팀은 금(Au)과 은(Ag)으로 구성된 금속 필름을 탐침(Tip)을 이용해 전사하는 탐침 기반 전사 기술(probe tip-assisted metal film transfer technique)을 개발해(그림1), 1-μm 이하의 정밀한 패턴 전사가 가능함을 입증했다(그림2). 이 기술은 기존 기술과 달리 유기 잔류물이 남지 않으며, 다양한 물리적, 전기적 소자 제작의 가능성을 열었다. 이번 연구 결과는 ‘Robust van der Waals Metal Mask for Residue-Free and All-Solid 2D Material Engineering(잔류물 없는 2D 물질 공정을 위한 강력한 반데르발스 금속 마스크)’이라는 제목으로 국제 학술지 『Advanced Functional Materials』 11월 12일자에 게재됐다.- 논문 링크: http://doi.org/10.1002/adfm.202407821 전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichacogenides)와 그래핀을 포함하는 2차원 물질은 높은 전기적 이동도와 강한 빛-물질 상호작용으로 광전소자 및 나노소자 개발에서 주목받고 있다. 그러나 기존 리소그래피 기반 공정에서 발생하는 유기 잔류물이 반도체 표면이나 반도체-금속 전극 계면에 남아 소자 특성 측정 결과에 큰 영향을 미친다. 또한, 고가의 장비 의존성은 연구와 응용을 제한하는 주요 장애물로 작용한다. 이에 따라, 잔류물 없이 간단하면서도 비용 측면에서 효율적인 고해상도 금속 전극 공정의 필요성이 대두됐다.이에, 연구팀은 금속 필름(Au/Ag)을 탐침 기반으로 전사해, 유기 화학물질을 사용하지 않고도 2차원 물질의 표면에서 나노미터급 정밀 전극을 가공할 수 있는 새로운 기술을 개발했다.탐침을 이용한 금속 필름 전사로 기존 리소그래피 공정에서 발생하는 유기 잔류물로부터 완전히 자유롭고, 1-μm 이하 고해상도 공정 구현 및 유연소자 제작에 용이한 이 기술은 WSe2, MoS2 등 다양한 2차원 물질에 적용 가능하며, 특히 고성능 광전소자 제작에 적합하다. 기존 리소그래피 대비 공정 단순성과 비용 효율성에서 우수하며, 유기 잔류물 없는 반도체-금속 계면 처리로 신뢰도 높은 소자 특성을 구현했으며, 스퍼터나 E-beam 증착법을 이용하는 기존 금속 전극 제작 방식에서 고질적으로 발생하는 2차원 반도체 물질의 표면 결함 문제도 최소화할 수 있다.이번 논문의 교신저자인 김지희 교수는 “반데르발스 금속 마스크를 활용한 탐침 기반 전사 기술을 제안한 이번 연구는 기존 리소그래피 공정을 대체할 수 있는 혁신적인 접근법이다. 유기 잔류물 문제를 완전히 배제하는 금속 전극 공정을 구현함으로써 2D 물질 연구와 소자 제작의 새로운 가능성을 열었다. 다양한 2D 광전소자뿐만 아니라 유연한 호기 센서, 광통신, 원격 감지, 비침습적 질병 진단 모니터링과 같은 첨단 산업 전반에 걸쳐 폭넓은 파급 효과를 가져올 것으로 기대된다”고 말했다. [Abstract]The van der Waals (vdW) contact, characterized by its bondless interactions, opens up exciting possibilities in cutting-edge mask technology. It enables incredibly close proximity to samples at the atomic level while facilitating non-destructive engineering. In this study, the concept of a vdW metal mask using the template striped ultra-flat Ag/Au film is introduced. The probe tip-assisted metal film transfer under an optical microscope is employed to showcase all-solid and residue-free engineering on 2D materials. The robust nature of the vdW metal mask allows for various treatments, including gas, liquid, solid, plasma, and light, making it a universal tool for fabricating 2D material-based devices and samples with sub-1 μm resolution, all without the need for lithography technologies. With the superiority in simple sample fabrication, ultra-clean surfaces, and robustness under harsh conditions, the technique is believed to flourish in the 2D material research field.* Reference- Author (Pusan National University): Ji-Hee Kim (Department of Physics) - Title of original paper: Robust van der Waals Metal Mask for Residue-Free and All-Solid 2D Material Engineering- Journal: Advanced Functional Materials- DOI: http://doi.org/10.1002/adfm.202407821