획기적인 발견으로 빛이 2D 반도체에서 원자를 움직일 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.

빛은 Janus TMD의 원자를 밀어내어 더 빠르고, 더 차갑고, 더 민감한 빛 기반 기술의 문을 열어줍니다. 출처: Shutterstock

라이스 대학교 연구진은 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)로 알려진 특정 원자 두께의 반도체가 빛에 노출되면 원자 격자를 물리적으로 이동할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 새롭게 관찰된 이 반응은 이러한 초박형 물질의 거동과 특성을 조절할 수 있는 제어 가능한 방법을 제공합니다.

이 현상은 전이와 관련된 로마 신의 이름을 딴 야누스(Janus) 소재라는 TMD의 하위 유형에서 나타납니다. 야누스 소재의 광 민감도는 전류 대신 광 신호에 의존하는 미래 기술, 즉 더 빠르고 냉각 성능이 뛰어난 컴퓨터 칩, 고응답 센서, 유연한 광전자 시스템을 지원할 수 있습니다.

라이스대 박사과정 동문이자 이 연구의 제1저자인 쿠니안 장(Kunyan Zhang)은 "비선형 광학에서는 빛을 변형하여 새로운 색상, 더 빠른 펄스, 또는 신호를 켜고 끄는 광학 스위치를 만들 수 있습니다."라고 말했습니다. "두께가 원자 몇 개 정도밖에 되지 않는 2차원 소재 덕분에 이러한 광학 도구를 매우 작은 크기로 제작할 수 있습니다."

Janus Materials를 차별화하는 요소

TMD는 몰리브덴과 같은 전이 금속 층과 황이나 셀레늄과 같은 칼코겐 원소 층을 두 겹으로 쌓아서 제작됩니다. 전도성, 강한 광 흡수율, 그리고 기계적 유연성의 조합으로 인해 차세대 전자 및 광학 소자의 핵심 후보로 떠올랐습니다.

이 그룹 내에서 야누스 소재는 상하 원자층이 서로 다른 화학 원소로 구성되어 비대칭 구조를 갖기 때문에 차별화됩니다. 이러한 불균형은 내재된 전기적 극성을 생성하고 빛과 외부 힘에 대한 민감도를 높입니다.

장은 "저희의 연구는 Janus 소재의 구조가 광학적 거동에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 빛 자체가 소재에 어떻게 힘을 생성할 수 있는지 탐구합니다."라고 말했습니다.

레이저 광을 이용한 원자 운동 감지

이러한 거동을 연구하기 위해 연구팀은 이황화몰리브덴 위에 황셀레나이드 몰리브덴을 적층한 2층 구조의 Janus TMD 소재에 다양한 색상의 레이저 빔을 조사했습니다. 연구팀은 이 소재가 입사 빔의 두 배 주파수로 빛을 방출하는 2차 고조파 생성(SHG) 과정을 통해 빛을 어떻게 변화시키는지 분석했습니다. 입사 레이저가 소재의 고유 공명 주파수와 일치하면 일반적인 SHG 패턴이 왜곡되어 원자가 이동하고 있음을 보여주었습니다.

"우리는 야누스 몰리브덴 황 셀레나이드와 몰리브덴 이황화물에 빛을 비추면 물질 내부에 미세하고 방향성 있는 힘이 생성되고, 이는 SHG 패턴의 변화로 나타난다는 것을 발견했습니다."라고 장 박사는 말했습니다. "일반적으로 SHG 신호는 결정의 대칭성을 반영하는 육각형 '꽃' 모양을 형성합니다. 하지만 빛이 원자를 누르면 이 대칭성이 깨지고 패턴의 꽃잎이 고르지 않게 쪼그라듭니다."

광변형 및 층 결합

연구진은 SHG 왜곡의 원인을 광변형(optostriction)으로 추정했습니다. 광변형은 빛의 전자기장이 원자에 기계적 힘을 가하는 과정입니다. Janus 소재에서는 층 간의 강한 결합이 이러한 효과를 증폭시켜, 극히 작은 힘조차도 측정 가능한 변형률을 생성할 수 있습니다.

장은 "Janus 소재는 불균일한 구성으로 인해 층 간의 결합이 강화되어 빛의 미세한 힘에 더 민감하게 반응하기 때문에 이러한 분야에 이상적입니다. 이 힘은 너무 작아서 직접 측정하기 어렵지만 SHG 신호 패턴의 변화를 통해 감지할 수 있습니다."라고 말했습니다.

미래 광학 기술의 잠재력

이러한 높은 감도는 Janus 소재가 광범위한 광학 기술에서 귀중한 부품이 될 수 있음을 시사합니다. 이러한 메커니즘을 사용하여 빛을 유도하거나 제어하는 ​​장치는 광 기반 회로가 기존 전자 장치보다 열을 덜 발생시키기 때문에 더 빠르고 에너지 효율적인 광자 칩 개발로 이어질 수 있습니다. 이와 유사한 특성은 매우 작은 진동이나 압력 변화를 감지하는 정밀 조정 센서를 구축하거나, 첨단 디스플레이 및 이미징 시스템을 위한 조절 가능한 광원을 개발하는 데 활용될 수 있습니다.

라이스 대학교 전기컴퓨터공학과, 재료과학 및 나노공학과 부교수이자 본 연구의 교신저자인 성시 황(Shengxi Huang)은 "이러한 능동적 제어는 차세대 광자 칩, 초고감도 검출기, 양자 광원 등을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 기술은 전기에 의존하는 대신 빛을 사용하여 정보를 전달하고 처리하는 기술입니다."라고 말했습니다. 황 부교수는 스몰리-컬 연구소, 라이스 첨단소재연구소, 켄 케네디 연구소에도 소속되어 있습니다.

큰 영향을 미치는 작은 구조적 불균형

이 연구는 Janus TMD의 내부 비대칭성이 빛의 흐름에 영향을 미치는 새로운 방식을 만들어내는 방식을 보여줌으로써, 작은 구조적 차이가 상당한 기술적 기회를 열어줄 수 있음을 보여줍니다.

본 연구는 미국 국립과학재단(2246564, 1943895), 공군 과학연구실(FA9550-22-1-0408), 웰치 재단(C-2144), 미국 에너지부(DE‐SC0020042, DE-AC02-05CH11231), 미국 공군 과학연구실(FA2386-24-1-4049), 그리고 대만 교육부의 지원을 받았습니다. 본 논문의 내용은 전적으로 저자의 책임이며, 연구 지원 기관 및 연구 기관의 공식적인 견해를 대변하는 것은 아닙니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251114041155.htm