전자를 활용하는 새로운 2차원 마이크로칩

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-22

MIT의 연구진은 전하가 아니라 전자의 다른 특성들을 이용하는 2차원 마이크로칩 개발에 전기(轉機)를 마련할 수 있는 새로운 연구결과를 발표했다. 이 방법은 전자의 특성을 이용하기 때문에 “밸리트로닉스(valleytronics)”라고 불린다. 이 연구결과는 저널 Nature Materials에 게재되었다. 이번 연구팀이 조사한 재료는 이황화 텅스텐(WS2)인데, 이것은 전이 금속 디칼코게니드(transition metal dichalcogenide, TMD)로 알려진 2차원 결정의 일종이다. 그래핀이라고 불리는 단일층 탄소 재료처럼, TMD는 단지 원자 한 개 두께를 가진 육방정계 구조를 가진 박막을 형성한다. 이런 유형의 그래핀의 경우에, 이것은 단지 단일 원자층을 가지지만 TMD는 3개의 원자 두께를 가진다. 현재의 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿에 전력을 공급하는 마이크로칩을 포함하는 기존의 전자장치는 그들을 통해서 전달되는 전자들로 전하들을 조절한다. 그러나 전자들의 다른 특성들은 정보를 전달하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 그들의 스핀은 새로운 “스핀트로닉스(spintronic)" 장치를 이끌 수 있다. 현재, 밸리트로닉스는 데이터를 저장하고 조절할 수 있는 또 다른 방법이고, 이 연구를 통해서 실용화를 향해 한 걸음 더 나아갈 수 있게 될 것이다. 밸리트로닉스는 이해하는데 조금 덜 직관적이고, 매우 효율적인 장치를 제조할 수 있는 잠재력을 가진다. 특정 재료의 경우에, 전자 에너지가 그래핀 위의 전자 운동량과 상대적일 때, 생성된 곡선은 두 개의 깊은 골짜기 형상을 가진다. 특정 요동을 가한다면, 이런 두 개의 골짜기는 서로 다른 깊이를 가질 수 있는데, 이것은 전자가 두 개의 골짜기 중의 하나에 우선적으로 채울 수 있게 한다. 두 개의 서로 다른 상태들은 0과 1을 나타내는데 사용될 수 있다. “우리는 빛을 사용함으로써 이런 골짜기를 직접적으로 제어할 수 있는 방법을 개발했다”고 Sie가 설명했다. 그리고 재료의 2차원 특성과 이것의 기계적 강도 때문에, 밸리트로닉스는 플렉서블 전자장치를 만드는데 사용될 수 있다. 이황화 텅스텐은 기존의 전하 기반의 전자장치 또는 스핀트로닉스 장치를 만드는데 사용될 수 있다. 또한 이 재료는 밸리트로닉스를 만드는데 필요한 특성들을 가진다. “전자는 모든 값을 가질 수 없고, 특정 곡선 위에서만 존재해야 하고, 이런 곡선은 두 개의 골짜기를 가진다”고 Gedik가 설명했다. 전자들은 가능한 한 가장 낮은 에너지 값을 가지려고 하지만, 이런 재료의 경우에 두 개의 골짜기 속의 전자들은 동일한 에너지를 가지기 때문에 낮은 수치를 가진 것은 두 개의 골짜기 중 하나가 될 수 있다. 그러나 이런 차이는 정보를 전달하는데 사용될 수 있기 때문에, 두 개의 골짜기 간의 전자 에너지의 차이를 유도하는데 바람직할 수 있다. 이것은 이미 알려졌지만, 골짜기의 상대 에너지를 변환시키려는 시도는 자기장을 사용하는 아이디어로 제한적이었다. 이것은 골짜기 속의 미세한 변화를 달성하는데 필요한 자기장의 강도(수백 테슬라)가 일반적인 연구소에서 달성되는 있는 것보다 훨씬 더 크다는 문제점이 존재한다. 이 새로운 연구에서 보고된 상당한 향상으로 훨씬 더 큰 에너지 변화가 특별한 편광을 가진 기존의 레이저 펄스로 달성될 수 있다는 것을 알게 되었다. 이것은 밸리트로닉스 장치를 제어할 수 있는 새로운 방법을 제공한다. 이것은 3개의 전자 특성들(전하, 스핀, 밸리)을 독립적으로 조종할 수 있는 장치를 디자인할 수 있게 한다. 이 연구는 단지 시작에 불구하다. 이런 효과가 재료 속에서 잘 작동하는지를 알기 위해서, 이번 연구진은 동일한 방법을 사용해서 이런 재료 속의 새로운 상태를 유도할 수 있는지를 조사하고 있다. “우리는 이것을 실험적으로 관찰하기를 원하고 있고, 이런 새로운 상태가 존재한다는 것을 증명했다”고 그는 말했다. “2차원 TMD 속의 밸리 자유도를 조절할 수 있는 것은 밸리트로닉스의 분야에 그들을 적용할 수 있게 한다. 이 실험은 이황화 텅스텐 속의 두 개의 밸리 간의 에너지 차이를 최초로 제어할 수 있는 방법을 증명함으로써 이런 목표를 달성하는데 큰 도약을 이루어내었다”고 이 연구를 수행하지 않는 이 분야의 전문가인 캘리포니아공과대학(Caltech)의 David Hsieh 조교수가 말했다. 이 연구결과는 저널 Nature Materials에 “Valley-selective optical Stark effect in monolayer WS2”라는 제목으로 게재되었다(10.1038/nmat4156). 그림. 레이저에 노출된 영역의 경계를 따라서 Floquet 유도된 키랄성 모서리의 개략도. noname017.bmp