나노기술 및 정책 정보

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  물질·재료연구기구(NIMS) 양자점센터 쿠로다 타카시(黑田隆) 주간연구원, Marco Abbarchi 연구원 등은 홋카이도대학( 海道大學)과 공동으로, 반도체 양자점에 복수의 전자를 가두는 것에 의해, 나노 극미 공간의 다전자 상태를 제어하고 그 에너지 값을 변화시키는 데 성공하였다. 본 연구 성과에 의해 안정적이면서 저소비 전력으로 구동이 가능한 반도체 비선형 디바이스의 개발이 가능하게 되었다.
  자연계에서 전자와 양자를 가까이하면 2개의 입자는 쿨롱력(coulomb forces)에 의해 서로 끌려 수소원자가 된다. 또한, 또 다른 전자 혹은 양자 하나를 수소원자에 가까이 하면 ‘다체효과(many body effect)’에 의한 인력이 생겨 총 3개의 입자로 이루어지는 수소이온 원자/분자가 된다.
  이러한 양자 상태는 고체 중에도 존재한다. 반도체 중에서 전도 전자와 정공이 쌍을 이루면 수소원자와 유사한‘여기자(勵起子)’상태가 된다. 전도 전자나 정공을 더욱 추가하면 이온화 여기자라 부르는 3개 입자의 복합 상태가 된다. 천연 수소이온과 달리, 반도체에서는 양자점이라 불리는 나노 구조화가 가능하다. 때문에 전자나 정공을 수십 나노미터 정도의 극미 공간에 가둘 수 있어, 다전자 상태의 안정화 에너지가 증가할 것으로 기대된다.
  본 연구에서는 NIMS가 독자개발한 액적 에피택시법으로 제작한 갈륨비소 양자점을 이용했다. 이 양자점은 헤테로(hetero) 계면에서 결정격자의 크기가 완전히 일치하는 것이 특징이다. 이 때문에, 전에 없는 깨끗한 양자 가둠 구조를 실현했다.

  단일 양자점으로부터의 발광 신호를 계측하는 것에 의해 이온화 여기자의 관측에 성공했으며, 특히 이온화 여기자의 안정화 에너지가 10 밀리전자 볼트(eV)로, 기존에 알려져 있었던 동종 재료의 양자우물구조에 비해, 5배 이상의 수치를 나타내는 것을 알았다. 이러한 다체 에너지의 증가는 전자가 3차원적인 나노 공간에 채워지는 결과, 다전자간의 쿨롱력이 현저하게 증대하는 것에 기인한다.

  이번 성과는 종래 알려져 있지 않았던 다전자 상태의 나노 공간 가둠효과를 최초로 해명한 것으로 학술적으로 대단히 중요한 성과다. 또, 응용 기술적인 면에서 볼 때, 전자간상관은 광스위칭 소자나 레이저 등의 다양한 비선형효과 디바이스의 근원으로서, 나노 구조화에 의해 상호작용 강도를 제어할 수 있게 되면, 안정적이면서도 저소비 전력으로 구동이 가능한 광반도체 디바이스의 개발로 연결될 것으로 기대된다. 본 성과는 미국 학술지 Physical Review B 에 공개되었다.