나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 창춘(長春) 광학 정밀기계 및 물리 연구소 산하 "포토닉스 실험실" 위워이리(于偉利) 연구원 연구팀은 미국 로체스터대학교(University of Rochester) 궈춘레이(郭春雷) 연구원 연구팀과 공동 연구를 실행하고, 페로브스카이트 다결정 박막의 광 검출기 성능이 쉽게 결정계와 결정 입자 결함의 영향을 받는 문제점에 근거하고, 공간 제한 구역 반(反) 온도 결정 방법을 이용하여 극히 낮은 표면 결함 밀도를 보유하고 있는 MAPbBr3 얇은 단결정을 합성하였는데 고 품질의 동 얇은 단결정과 높은 캐리어 이동 비율의 단일 층 그래핀과의 결합을 통해 높은 효율성을 보유하고 있는 수직 구조의 광 검출기를 개발하는데 성공함.

지난 몇 십 년 간 광 검출기는 학술계와 공업계의 폭넓은 관심을 받아온 상황이며, 광 검출기는 광통신, 환경 모니터링, 바이오 검출, 이미지 센서, 공간 탐사 측정 등의 분야에 폭넓게 응용된 상황이며, 메틸암모늄 할로겐화 납 페로브스카이트(CH3NH3PbX3，X=Cl, Br, I)는 최근 수 년 간 발전하기 시작한 일종의 페로브스카이트 소재로서 직접 밴드 갭, 넓은 스펙트럼 응답, 높은 흡수 계수, 높은 캐리어 이동 비율, 긴 캐리어 확산 계수 등 강점을 보유하고 있으며, 점차 광 검출기 선행 연구 분야에서의 이슈 소재로 부상하고 있음.

페로브스카이트 다결정 박막에 기반 한 광 검출기 성능은 아직 실제 응용 목표까지는 거리가 있으며, 그 중 한 주요 원인은 캐리어가 인터페이스 전송 과정에서 쉽게 결정계와 결정 입자 결함의 영향을 받는데 있음. 많은 과학자들은 페로브스카이트 다결정 박막과 높은 이동률을 가진 2차원 소재 위상 간의 결합을 통해 디바이스 성능을 향상시키기 위한 연구를 실행하여 일정한 효과를 얻었지만 페로브스카이트 결정계로 인해 발생하는 부작용 문제점은 아직 해결하지 못하였음.

연구팀은 공간 제한 구역 반(反) 온도 결정 방법을 이용하여 MAPbBr3 얇은 단결정을 성장시켰는데, 동 얇은 단결정은 서브 나노 표면의 거친 정도 면에서 뚜렷한 결정 입자 인터페이스 범주를 함유하고 있지 않기 때문에 연구팀은 고 품질의 페로브스카이트 단결정 합성 기술과 단일 층 그래핀 이전 기술을 결합하여 고성능의 수직 구조 광 검출기를 개발하였음.

연구팀이 개발한 수직 구조의 광 검출기는 실온에서 비교적 높은 광 검출 비율(~ 2.02×1013 Jones)을 가지고 있는 것으로 나타났으며, 532nm 레이저 조사에서 순수 페로브스카이트 MAPbBr3 단결정 박막 광 검출기에 비해 페로브스카이트-그래핀 복합 수직 구조를 가지고 있는 광 검출기의 광전기 성능(광 응답 정도, 광 검출 비율, 광전기 전도 증가폭)은 한 개 수량 등급이나 더 높은 것으로 나타났음. 캐리어의 초고속 동력학을 통해 연구팀이 개발한 디바이스 성능이 향상된 주요 원인은 고품질의 페로브스카이트 단결정의 페로브스카이트 캐리어 수명 증가와 그래핀을 통해 자유 전하에 대한 효과적인 추출과 전송을 실현할 수 있다는 점에 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 페로브스카이트 단결정 소재와 2차원 그래핀 간의 효과적인 결합을 실현하고, 캐리어 생성, 운송 분야에서의 페로브스카이트 단결정 소재와 2차원 그래핀의 협동 우세를 이용하여 디바이스 성능을 대폭 향상시키고, 캐리어의 효과적인 추출과 효율적인 전송 메커니즘을 해석함으로써 고성능 페로브스카이트 광 검출기 개발을 위해 새로운 아이디어를 제공하였음.

연구팀이 이번 연구를 통해 취득한 혁신성과는 페로브스카이트-2차원 소재 복합 광 전기 디바이스 연구와 발전을 추진하는 면에서 중대한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 ‘Small’ ("A Highly Sensitive Single Crystal Perovskite–Graphene Hybrid Vertical Photodetector") 지에 게재됨.