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도쿄(東京)대학 대학원 공학계 연구과, 중국 난징대학(Nanjing University), 물질·재료 연구기구(NIMS), 캐나다 브리티시컬럼비아대학(The University of British Columbia) 등의 국제 공동 연구그룹이 2개의 다른 2차원 결정(WSe2와 흑린)을 겹쳐 제작한 계면에 있어, 면 내에 전기 분극과  이를 반영한 거대한‘광기전력 효과’가 발생하는 것을 발견함.

층상 물질로부터 박리된 원자층 1개 또는 몇 개로 이루어진 2차원 결정은 원래의 물질과는 전혀 다른 성질을 나타내는 것 이외에, 박리된 2차원 결정끼리 접합시키는 것만으로 새로운 2차원 계면을 제작할 수 있으며 예상외의 물성과 기능성이 발현되기 때문에 최근 큰 주목을 받고 있음. 이러한 계면은 접합시키는 물질의 종류와는 거의 무관하게 제작할 수 있다는 점에서 지금까지의 2차원 계면의 상식을 크게 파괴하고 있으며, 제작된 계면에서는 원래의 결정에는 없는 다양한 특징 구조가 나타나고, 물성에 크게 영향을 미치는 경우가 있음.

연구진은 2차원 결정 계면에서 최초로 면 내의 극성 구조에 착안하여 2개의 서로 다른 2차원 결정을 포개어 계면 대칭을 제어함으로써, 면 내에 전기 분극을 실현함과 동시에 분극에 유래하는 자발적인‘광기전력 효과(벌크 광기전력 효과)를 관측하는 데 성공함. 또한 광전류의 상세한 동작을 확인하고 관측된 벌크 광기전력 효과가 전자의 양자 역학적 파속(波束)의 중심 위치가 광 조사(照射)에 의해 공간적으로 변화하는 메커니즘을 통해 설명 할 수 있음을 발견함.

본 연구 성과는 2차원 결정 계면에서의 새로운 대칭 제어 지침을 제공하며, 2차원 결정 계면의 기능성을 개척하는 계기가 될 뿐만 아니라, 결정이 갖는 주기성이 손실된 물질의 전기 분극과 광기전력 효과 등 현상의 탐구에 영향을 미칠 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 Science(A van der Waals interface that creates in-plane polarization and a spontaneous photovoltaic effect)에 게재됨.