초원자 반도체가 물리적 한계를 깼다
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-11-03 10:27:21
3'20" 읽기
- 신소재를 통해 최초로 반도체에서 "탄도" 전하 수송이 가능
- 미래에 전자 반도체 부품을 훨씬 더 효율적이고 빠르게 만들 수 있다.
- 실온에서 지속적인 탄도 전하 수송이 관찰된 유일한 물질
실리콘, 게르마늄 또는 페로브스카이트와 같은 반도체는 거의 모든 전자 제품의 기본 구성 요소다. 이들의 전형적인 특징은 결정 격자의 전자 또는 양극 "정공"이 에너지가 공급될 때만 이동하고 전기를 전도하는 밴드 갭이다. 이러한 제어 가능한 전하 수송으로 인해 반도체는 트랜지스터, 반도체 레이저, 태양 전지, 발광 다이오드 등의 기초가 된다.
일반적인 반도체에는 전하 수송에 대한 "속도 제한"이 있다. 뉴욕 컬럼비아 대학의 Jack Tulyagankhodjae와 그의 동료들은 "상온에서 전하 캐리어는 몇 나노미터 및 펨토초 내에 격자 진동에 의해 산란된다"고 설명했다. 격자 진동의 결과로 전자 또는 정공을 편향시키고 에너지를 흡수하며 반도체를 따뜻하게 만드는 준입자인 소위 포논이 생성된다.
"슈퍼원자"로 만들어진 그리드
Tulyagankhodjae와 그의 팀은 이제 우연히 이 문제에 대한 해결책을 발견했다. 고체의 입자 움직임을 이미지화하도록 설계된 새로운 현미경의 해상도를 테스트하기 위해 그들은 실험실에서 방금 합성된 초원자 물질을 검사했다. 이들은 서로 밀접하게 연결된 원자 그룹으로 구성되므로 다른 구성 요소와 결합하면 하나의 큰 원자처럼 거동한다.
이 경우 Re6Se8Cl2라는 물질은 팔면체 모양으로 서로 연결된 6개의 레늄 원자로 구성된 화합물이며, 8개의 셀레늄 원자로 구성된 입방체로 둘러싸여 있다. 이들 각각의 레늄-셀레늄 단위는 외부에 부착된 두 개의 염소 원자에 연결되어 있다. 이 단위들은 함께 평평한 정사각형 격자를 형성한다.
그 어떤 반도체 소재보다 빨라
Tulyagankhodjae와 그의 동료들은 이 초원자 물질을 빛으로 들뜨게 하고 그 안의 전하 움직임을 분석했을 때 놀라운 사실을 발견했다. 컬럼비아 대학의 수석 저자인 Milan Delor는 "우리가 예상했던 것과 반대되는 일이 일어났다"고 말했다. "예상했던 느린 움직임 대신, 우리는 지금까지 본 것 중 가장 빠른 것을 보았다.“
초원자 물질은 이전에 알려진 어떤 반도체 물질보다 훨씬 빠르게 전자를 운반하는 반도체임이 밝혀졌다. 전하 수송 측면에서 Re6Se8Cl2는 지금까지 우리가 알고 있는 가장 빠른 반도체라고 Delor는 말했다. 구체적으로, 이 물질의 전자는 실리콘이나 붕소 비소보다 2배 빠르게, 텅스텐 셀레나이드보다 23배 빠르게 움직인다고 팀이 보고했다.
토끼와 고슴도치의 원리
연구진이 설명했듯이, 새로운 물질은 실온에서 준탄도적(彈道的) 전하 흐름을 보여주는 최초의 반도체다. 이것이 의미하는 바는 전자와 정공이 발생하는 격자 진동에 의해 흩어지지 않고 물질을 통해 크게 흐른다는 것이다. 이를 통해 발생하는 "속도 제한"을 초과할 수 있다.
이는 두 가지 요소에 의해 가능하다.
첫째, 초원자는 이 반도체의 결정 격자를 강화해 들뜰 때 발생하는 격자 진동을 억제한다. 한편 전자는 격자에 의해 생성된 포논 준입자와 연결된다. 이로 인해 다소 무겁고 느린 새로운 준입자인 폴라론(Polaron; 전자와 동반한 편극 장으로 구성된 유사 입자)이 생성된다. 팀이 설명하는 것처럼 처음에는 비생산적으로 들리는 것이 빠른 전하 수송에 중요하다. 이러한 전하 캐리어는 개별적이고 가벼운 전자와 달리 산란 및 편향이 어렵기 때문에 일반 반도체의 전자보다 수송이 훨씬 빠르다.
Tulyagankhodjae와 그의 동료들은 이것을 토끼와 고슴도치의 우화와 비교했다. 고슴도치는 느리지만 포논과의 결합 덕분에 여전히 갈고리를 치는 토끼보다 목적지에 더 빨리 도달한다.
더 빠르고 효율적인 전자 장치를 위한 기회
이러한 능력을 갖춘 재료는 미래에 전자 반도체 부품을 훨씬 더 효율적이고 빠르게 만들 수 있다. 연구진은 “2D 재료에서 파동과 같은 장거리 전자 에너지 흐름을 일반화하면 거의 손실이 없는 나노 전자공학 시대를 열 수 있다”고 말했다. 그러나 레늄 원소는 매우 희귀하고 가격이 비싸기 때문에 그들의 새로운 반도체는 대량 생산에 적합하지 않다.
그러나 폴라론을 사용한 이러한 전하 수송은 다른 새로운 양자 물질에서도 발생할 수 있다. “지금까지 이것은 실온에서 지속적인 탄도 전하 수송이 관찰된 유일한 물질이다. 이제 우리는 어떤 다른 재료가 이러한 행동을 보일지 예측할 수 있다"고 Delor는 말했다. "폴라론 형성에 유리한 특성을 지닌 초원자 및 기타 2D 반도체 재료 전체가 있다."
Tulyagankhodjae 팀은 이제 그러한 초원자 반도체를 더 많이 찾을 계획이다.
(Science, 2023; doi: 10.1126/science.adf2698)
출처: Columbia University
- 신소재를 통해 최초로 반도체에서 "탄도" 전하 수송이 가능
- 미래에 전자 반도체 부품을 훨씬 더 효율적이고 빠르게 만들 수 있다.
- 실온에서 지속적인 탄도 전하 수송이 관찰된 유일한 물질
초원자 반도체가 속도 제한을 깨다
신소재를 통해 최초로 반도체에서 "탄도" 전하 수송이 가능해졌다.
물리적 한계 깨짐:
화학자들이 세계에서 가장 빠르고 효율적인 반도체를 만들었다. 이 반도체는 이전의 전하 수송 속도 제한을 깨는 재료다. 이는 이 초원자 반도체가 상온에서도 격자 진동이 거의 없고 특수한 준입자 형태로 전하를 운반하기 때문에 가능한 일이다. 팀이 "Science"에서 보고한 것처럼 이 새로운 종류의 반도체는 전자 장치를 훨씬 더 빠르고 효율적으로 만들 수 있다.
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| ▲ 새로운 유형의 반도체 재료는 실리콘 등보다 훨씬 빠르게 전하를 운반한다. pixabay |
실리콘, 게르마늄 또는 페로브스카이트와 같은 반도체는 거의 모든 전자 제품의 기본 구성 요소다. 이들의 전형적인 특징은 결정 격자의 전자 또는 양극 "정공"이 에너지가 공급될 때만 이동하고 전기를 전도하는 밴드 갭이다. 이러한 제어 가능한 전하 수송으로 인해 반도체는 트랜지스터, 반도체 레이저, 태양 전지, 발광 다이오드 등의 기초가 된다.
일반적인 반도체에는 전하 수송에 대한 "속도 제한"이 있다. 뉴욕 컬럼비아 대학의 Jack Tulyagankhodjae와 그의 동료들은 "상온에서 전하 캐리어는 몇 나노미터 및 펨토초 내에 격자 진동에 의해 산란된다"고 설명했다. 격자 진동의 결과로 전자 또는 정공을 편향시키고 에너지를 흡수하며 반도체를 따뜻하게 만드는 준입자인 소위 포논이 생성된다.
"슈퍼원자"로 만들어진 그리드
Tulyagankhodjae와 그의 팀은 이제 우연히 이 문제에 대한 해결책을 발견했다. 고체의 입자 움직임을 이미지화하도록 설계된 새로운 현미경의 해상도를 테스트하기 위해 그들은 실험실에서 방금 합성된 초원자 물질을 검사했다. 이들은 서로 밀접하게 연결된 원자 그룹으로 구성되므로 다른 구성 요소와 결합하면 하나의 큰 원자처럼 거동한다.
이 경우 Re6Se8Cl2라는 물질은 팔면체 모양으로 서로 연결된 6개의 레늄 원자로 구성된 화합물이며, 8개의 셀레늄 원자로 구성된 입방체로 둘러싸여 있다. 이들 각각의 레늄-셀레늄 단위는 외부에 부착된 두 개의 염소 원자에 연결되어 있다. 이 단위들은 함께 평평한 정사각형 격자를 형성한다.
그 어떤 반도체 소재보다 빨라
Tulyagankhodjae와 그의 동료들은 이 초원자 물질을 빛으로 들뜨게 하고 그 안의 전하 움직임을 분석했을 때 놀라운 사실을 발견했다. 컬럼비아 대학의 수석 저자인 Milan Delor는 "우리가 예상했던 것과 반대되는 일이 일어났다"고 말했다. "예상했던 느린 움직임 대신, 우리는 지금까지 본 것 중 가장 빠른 것을 보았다.“
초원자 물질은 이전에 알려진 어떤 반도체 물질보다 훨씬 빠르게 전자를 운반하는 반도체임이 밝혀졌다. 전하 수송 측면에서 Re6Se8Cl2는 지금까지 우리가 알고 있는 가장 빠른 반도체라고 Delor는 말했다. 구체적으로, 이 물질의 전자는 실리콘이나 붕소 비소보다 2배 빠르게, 텅스텐 셀레나이드보다 23배 빠르게 움직인다고 팀이 보고했다.
토끼와 고슴도치의 원리
연구진이 설명했듯이, 새로운 물질은 실온에서 준탄도적(彈道的) 전하 흐름을 보여주는 최초의 반도체다. 이것이 의미하는 바는 전자와 정공이 발생하는 격자 진동에 의해 흩어지지 않고 물질을 통해 크게 흐른다는 것이다. 이를 통해 발생하는 "속도 제한"을 초과할 수 있다.
이는 두 가지 요소에 의해 가능하다.
첫째, 초원자는 이 반도체의 결정 격자를 강화해 들뜰 때 발생하는 격자 진동을 억제한다. 한편 전자는 격자에 의해 생성된 포논 준입자와 연결된다. 이로 인해 다소 무겁고 느린 새로운 준입자인 폴라론(Polaron; 전자와 동반한 편극 장으로 구성된 유사 입자)이 생성된다. 팀이 설명하는 것처럼 처음에는 비생산적으로 들리는 것이 빠른 전하 수송에 중요하다. 이러한 전하 캐리어는 개별적이고 가벼운 전자와 달리 산란 및 편향이 어렵기 때문에 일반 반도체의 전자보다 수송이 훨씬 빠르다.
Tulyagankhodjae와 그의 동료들은 이것을 토끼와 고슴도치의 우화와 비교했다. 고슴도치는 느리지만 포논과의 결합 덕분에 여전히 갈고리를 치는 토끼보다 목적지에 더 빨리 도달한다.
더 빠르고 효율적인 전자 장치를 위한 기회
이러한 능력을 갖춘 재료는 미래에 전자 반도체 부품을 훨씬 더 효율적이고 빠르게 만들 수 있다. 연구진은 “2D 재료에서 파동과 같은 장거리 전자 에너지 흐름을 일반화하면 거의 손실이 없는 나노 전자공학 시대를 열 수 있다”고 말했다. 그러나 레늄 원소는 매우 희귀하고 가격이 비싸기 때문에 그들의 새로운 반도체는 대량 생산에 적합하지 않다.
그러나 폴라론을 사용한 이러한 전하 수송은 다른 새로운 양자 물질에서도 발생할 수 있다. “지금까지 이것은 실온에서 지속적인 탄도 전하 수송이 관찰된 유일한 물질이다. 이제 우리는 어떤 다른 재료가 이러한 행동을 보일지 예측할 수 있다"고 Delor는 말했다. "폴라론 형성에 유리한 특성을 지닌 초원자 및 기타 2D 반도체 재료 전체가 있다."
Tulyagankhodjae 팀은 이제 그러한 초원자 반도체를 더 많이 찾을 계획이다.
(Science, 2023; doi: 10.1126/science.adf2698)
출처: Columbia University
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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