빛과 전자 초고속 상호작용 첫 확인…대면적 광전자 소자 개발 길 열어

작성일 07-08

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 <img alt="왼쪽부터 최인혁 광주과학기술원(GIST) 물리‧광과학과 연구원, 이종석 교수. GIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202507/08/dongascience/20250708110937951ggdb.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="zO0lUqHEyR" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202507/08/dongascience/20250708110937951ggdb.jpg" width="658">
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 왼쪽부터 최인혁 광주과학기술원(GIST) 물리‧광과학과 연구원, 이종석 교수. GIST 제공
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 한미 공동연구팀이 금속 산화물 박막에서 원자층 두께를 조절해 특정 방향으로 진동하는 빛인 편광 방향에 따라 전기 신호를 제어하는 특성인 '이방성'을 구현·관측하는 데 성공했다. 연구결과는 기존 물질에서 불가능했던 대면적 초고속 광전자 소자 개발에 활용될 것으로 기대된다.
 광주과학기술원(GIST)은 이종석 물리·광과학과 교수팀이 미국 미네소타대 연구팀과 공동연구를 통해 루테늄 산화물 박막에서 광전자 이방성을 관찰하고 제어하는 데 성공했다고 8일 밝혔다. 연구결과는 6월 27일(현지시간) 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 공개됐다.
 광전자 소자는 고체 내에서 빛과 전자의 상호작용을 이용한다. 빛으로 전기 신호를 만들거나 전기로 빛을 만들어 광통신, 광이미징 등 첨단 광기술에 필수적인 소자다.
 특히 빛의 편광 방향에 따라 전자 신호를 제어하는 특성인 광전자 이방성 구현은 차세대 광통신, 스핀트로닉스 등의 핵심으로 주목받는다. 스핀트로닉스는 전자의 물리적 성질인 스핀(spin)으로 정보를 저장·처리하는 기술이다.
 광전자 이방성 소자를 구현하려면 소재를 나노미터(nm, 10억분의 1m) 수준으로 얇게 대면적으로 생산할 수 있어야 한다. 현재까지 그래핀, 이황화몰리브덴(MoS2) 등 2차원(2D) 반데르발스 물질에서 이방성이 관측됐지만 대면적 제조가 어렵다는 점이 산업 응용의 걸림돌이다.
 연구팀은 원자층 수준으로 대면적 성장이 가능하고 안정적인 금속 산화물에 주목했다. 금속 산화물에서 광전자 이방성이 구현되면 차세대 광전자 소자로 잠재력이 있다고 본 것이다.
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 <img alt="루테늄 산화물의 응력을 제어해 빛과 전자 상호작용 방식을 이방성으로 조절하는 과정을 설명한 그림. GIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202507/08/dongascience/20250708110939344sbzb.png" data-org-width="680" dmcf-mid="qAdQEmnbTM" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202507/08/dongascience/20250708110939344sbzb.png" width="658">
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 루테늄 산화물의 응력을 제어해 빛과 전자 상호작용 방식을 이방성으로 조절하는 과정을 설명한 그림. GIST 제공
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 연구팀은 분자빔 에피택시(MBE) 기술로 타이타늄 산화물 기판 위에 원자층 단위로 성장시킨 루테늄 산화물 박막에서 기존 반데르발스 물질 수준의 광전자 이방성이 존재한다는 것을 확인했다. MBE는 초고진공 상태에서 기체 상태의 원자·분자를 빔(beam)으로 기판 위에 분사해 박막을 정밀하게 성장시키는 기술이다.
 다양한 광학 측정 기술로 이방성이 확인됐다. 연구팀은 X선 흡수 분광법, 타원 편광 분석법 등으로 루테늄 산화물 박막의 이방성을 분석했다. 초고속 레이저 펄스를 활용해 펨토초(fs, 1fs는 1000조분의 1초) 단위의 광학적 변화를 분석한 결과 편광 방향에 루테늄 산화물 박막 내 전자들의 움직임이 크게 달라진다는 사실이 관측됐다.
 연구팀은 박막의 두께를 정밀하게 제어해 기판에 가해지는 응력(strain)을 완화하면 광전자 이방성의 강도를 조절할 수 있다는 점도 발견했다.
 이번 연구결과는 금속 산화물 기반의 차세대 광전자 소자 설계에 새로운 방향성을 제시한 것으로 평가된다. 
 이 교수는 "최근 스핀트로닉스 분야에서 주목받는 루테늄 산화물에서 응력을 활용해 전자구조를 제어할 수 있음을 실험적으로 확인했다"며 "광전자 소자는 물론 차세대 스핀소자 개발에도 중요한 단초가 될 것"이라고 밝혔다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1126/sciadv.adw7125
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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