성균관대 에너지과학과 정문석 교수. <사진제공=성균관대학교>
▲ 성균관대 에너지과학과 정문석 교수. <사진제공=성균관대학교>

성균관대학교(총장 신동렬)는 에너지과학과 정문석 교수와 오혜민 박사 연구팀(공동 제1저자 이주찬 석사과정생, Ngoc Thanh Duong 박사과정생)이 2차원 적층시료의 표면을 제어해 부성미분저항(Negative differential resistance) 및 핫 캐리어 효과(Hot carrier effect)를 활용한 초저전력 및 고속 소자를 개발했다고 25일 밝혔다.

이번 연구에 적용된 핵심 원리인 부성미분저항(Negative differential resistance)은 소자의 저항이 특정 영역에서 음의 값을 갖는, 즉 전압을 높이는 데, 전류는 오히려 감소하는 현상으로 에사키 레오나가 보고한 후 1973년 노벨 물리학상을 받았다. 이후 이를 활용한 다양한 소자가 소개된 바 있으나 기대에 미치지 못하는 공진 특성 때문에 다른 소자로 대체된 바 있다.

연구팀은 기존의 실리콘 기반 소자는 공진 특성에 한계가 있다는 이슈에 주목했고, 공진 특성이 더 우수한 것으로 알려진 2차원 소재를 활용해 이를 극복하고자 노력했다.

연구팀은 로컬 게이트 전계 효과에 의한 시료의 표면 제어를 통해 기존 부성미분저항 소자 중 가장 우수한 공진 특성을 보이는 데 성공했으며, 또한 열전자 효과를 통한 새로운 메커니즘의 광전자 소자를 제작했다고 밝혔다.

정문석 교수는 “2차원 물질을 통해 실리콘 기반 소자의 한계를 뛰어넘은 중요한 연구로 차세대 소재를 이용해 차세대 소자의 방향성을 제시했다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구사업과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐으며, 미국 화학회에서 발행하는 나노과학 분야 세계적 권위 학술지 나노레터(Nano letters)에 2월 7일자 온라인판에 게재됐다.

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