나노기술 및 정책 정보

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● 일본 도쿄대학교, 물질·재료연구기구(NIMS), 국제나노아키텍토닉스연구거점(WPI-MANA) 공동 연구그룹이 고순도이면서 결함이 없는 유기 반도체 단결정의 1개 분자층(두께 4nm)에 고밀도로 캐리어를 주입함으로써 2차원 홀 가스가 형성되고 4개 분자당 1전하에 해당하는 고밀도 홀을 유도한 결과, ‘절연체–금속 전이’를 관측하는 데 세계 최초로 성공

● 연구진은 유기 반도체 C8-DNBDT를 개발했으며, 박막 표면은 미세한 결함조차 없으며 박막 중의 분자 층수까지 정밀하게 제어되어 있기 때문에 ‘절연체–금속 전이’를 입증하기 위한 최적의 박막이라 생각했으며, 고품질의 박막 표면을 이용하여 ‘전기 이중층 트랜지스터 구조(Electric Double Layer Transistor, EDLT)’를 제작

● EDLT은 일반적인 전계 효과 트랜지스터 절연체층을 이온 액체로 대체한 것으로 작은 전압에서 고밀도로 전하를 주입할 수 있으며, EDLT을 이용하여 C8-DNBDT에 4개 분자 당 1전하에 상당하는 고밀도 홀을 유도한 결과, 260K에서 17kΩ 정도의 낮은 시트 저항(Rsheet)을 획득

● 해당 연구의 결과는 일반적인 전계 효과 트랜지스터를 이용한 경우에 비해 1자리 수정도 낮은 값으로‘절연체–금속 전이’의 지표가 되는 양자화 저항(25.8kΩ)에 비해 작은 값으로 확인 

● 고밀도 캐리어 주입을 통해, C8-DNBDT 박막의 시트 저항은 10K 정도의 저온까지 단조롭게 감소된다는 금속 상태 특유의 온도 의존성을 시사했으며 유기 반도체 결정에 있어서도 금속 상태가 실현되었음을 세계 최초로 규명

● ‘Hall 효과 측정’으로 얻어진 캐리어 이동도의 온도 의존성은 2차원 전자계의 표준 모델과 일치, 본 계에 있어 1개 분자층 두께에 전하가 갇힌 2차원 홀 가스가 형성되어있음을 확인 

● 사용된 유기 반도체 박막은 양산성이나 비용면에서 우수하며 인쇄를 통해 제작하기 때문에 보다 간편하게 2차원 전자계를 실현하는 것이 가능해져, 향후 전자 상전이의 기초 연구뿐만 아니라 고속 전자 디바이스 및 양자 일렉트로닉스 디바이스 장치로의 응용 연구가 가속화될 것으로 예상 

※ Nature Materials 게재(2021.09.06.), “Two-dimensional hole gas in organic semiconductors”