주요 연구성과
NEW 염동일 교수 연구팀, 그래핀에서 새로운 비선형 광특성 규명
- 2021-02-26
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아주대학교 연구진이 ‘꿈의 신소재’ 그래핀에서 나타나는 새로운 광학 현상을 규명해냈다. 이에 2차원 물질 기반의 초고속 광신호 처리나 양자 통신, 양자 센싱 등 양자기술 분야에 활용할 수 있을 전망이다.
염동일 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 왼쪽) 연구팀은 단층 그래핀 두 장을 뒤틀어 포개었을 때 큰 폭 향상된 비선형 광신호가 발생함을 규명했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘두 겹 그래핀에서 뒤틀림 각도 조절을 통한 향상된 삼차조화파 발생(Enhanced third-harmonic generation by manipulating the twist angle of bilayer graphene)’이라는 제목의 논문으로 광학 분야 국제 학술지 <빛: 과학과 응용(Light: Science & Applications) IF=13.714, IF(%)=2.577> 1월21일자 온라인판에 게재됐다.
이번 연구에는 아주대 대학원의 하성주(박사과정, 사진 가운데), 박남훈(박사졸업, 사진 오른쪽) 씨가 제1저자로 참여했고 아주대 이재현 신소재공학과 교수, 유영동 화학과 교수, 박지용 물리학과 교수, 안광준 대학원 에너지시스템학과 교수와 서울시립대학교 정재일 교수(물리학과)도 함께 했다.
단일 탄소 원자층으로 이뤄진 대표적 2차원 물질인 그래핀(graphene)은 높은 전도성과 투명성 뿐 아니라 유연성까지 갖추고 있어 차세대 전기소자 및 광학소자의 기반이 되는 미래 소재로 주목받아 왔다. 단층 그래핀 위에 또 다른 단층 그래핀을 비스듬하게 겹쳐 쌓으면 무아레 무늬(Moire pattern)에 의한 초격자(superlattice) 구조가 나타나게 되는데, 이때 뒤틀림 각도에 따라 저항이 아예 사라지는 초전도체나 전기가 전혀 통하지 않는 절연체 등 기존 단층 그래핀에서 볼 수 없었던 독특한 물리현상이 관측되면서 최근 큰 주목을 받고 있다. 무아레 무늬란, 촘촘한 주기를 가지는 그물이나 옷감 두 장을 비스듬히 겹칠 때 본래 주기보다 매우 큰 주기를 가지고 형성되는 초격자 무늬를 말한다.
염동일 교수 연구팀은 강한 세기의 빛이 뒤틀린 두 겹 그래핀에 입사할 때 발생하는 비선형 광학 현상에 주목했다. 특히 두 겹 그래핀의 무아레 초격자 구조에 의하여 전자 상태밀도의 반 호프 특이점(van Hove singularity, 고체 물리 분야에서 전자의 상태밀도 함수가 봉우리 모양의 불연속성을 가지는 지점)이 형성되는데, 특이점 사이의 에너지 간극이 입사하는 빛 에너지의 세 배가 될 때 크게 향상된 삼차조화파가 발생한다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 나아가 전기적인 제어를 통해 단층 그래핀 대비 최대 60배까지 향상된 비선형 광 파장 변환 신호를 얻을 수 있었다.
염동일 교수는 “이번 연구를 통해 그래핀의 적층 각도가 2차원 물질의 비선형 광 특성을 제어하고 향상시키는 새로운 변수가 될 수 있음을 최초로 밝혀냈다”며 “앞으로 2차원 물질의 비선형 광특성을 활용한 초고속 광신호 처리나 양자기술 분야의 광원으로 응용하는데 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업의 지원으로 수행됐다.
(왼쪽)뒤틀린 두 겹 그래핀의 광학현미경 사진. 각각의 색깔은 서로 다른 회전 각도로 적층된 구역을 나타낸다. (오른쪽)두 겹 그래핀에서 측정된 삼차 조화파 발생 이미지