| 신형 반도체 레이저 개발 | ||
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  중국과학원 창춘(長春)응용화학연구소 QIN Chuan-jiang(秦川江) 연구팀은 일본규슈대학교와 공동으로 신형 저비용 반도체 재료 페로브스카이트 기반 레이저를 개발하여 기존에 레이저가 저온에서만 지속적으로 안정하게 작동하던 어려움을 해결함으로써 실온에서 지속적으로 레이저 광선을 출력할 수 있는 페로브스카이트 레이저를 구현했다. 관련 성과는 "Nature"에 게재됐다. 레이저는 입사광 또는 전기에너지를 빛으로 전환시키는 소자로서 발광이 매우 균일하기에 산업, 의료, 정보, 과학연구 등 분야에 광범위하게 응용된다. 페로브스카이트 반도체 재료는 저비용 용액으로 가공할 수 있고 발광 파장을 조절할 수 있으며 방출 스펙트럼이 안정한 등 장점을 보유하기에 가공 물질로 이용할 수 있어 레이저 분야에서 응용 전망이 밝다. 하지만 실온에서 지속적으로 여기 되어 몇 분 동안 작동한 후 페로브스카이트 레이저 광선이 소실되는데 그 원인을 밝혀내지 못하여 심층적 연구를 제한한다. 유기반도체 소자에서 양전하와 음전하가 결합된 후 먼저 엑시톤을 형성한 다음 에너지를 방출한다. 엑시톤은 일반적으로 일중항 상태 엑시톤 및 삼중항 상태 엑시톤으로 분류하는데 그 중에서 삼중항 상태 엑시톤은 직접적인 발광 효율이 낮다. 기존 연구에서 유기반도체의 지속적인 레이저 광선 생성을 방해하는 주요 요인은 삼중항 상태 엑시톤의 고유적인 특성임을 입증했다. 하지만 삼중항 상태 엑시톤이 준이차원(Quasi-two-dimensional) 페로브스카이트 레이저에 미치는 영향은 파악하지 못했다. 준이차원 페로브스카이트는 동일한 반복 단위의 무기 구조가 유기층 사이에 끼인 재료이다. 최근 연구에서 해당 재료의 삼중항 상태 엑시톤 수명이 1마이크로초에 달함을 발견함과 아울러 이를 레이저 광선 소실을 초래하는 원인으로 추측했다. 삼중항 상태 엑시톤은 발광하지 않지만 발광하는 일중항 상태 엑시톤과 상호작용할 수 있어 그들이 모두 발광하지 않는 형식으로 에너지를 상실하도록 한다. 따라서 페로브스카이트에 존재하는 장수명 삼중항 상태 엑시톤이 존재할 경우 삼중항 상태 엑시톤을 제거하여 레이저 광선에 대한 간섭을 방지해야 한다. 상기 연구에 기반해 연구팀은 준이차원 페로브스카이트에 비교적 낮은 삼중항 상태 에너지 준위 유기층을 도입해 페로브스카이트에서 생성되는 장수명 엑시톤을 자발적으로 유기층에 전이되게 함으로써 일중항 상태 엑시톤의 에너지 손실을 감소시켜 광 여기 조건에서의 지속적인 레이저 광선 생성을 달성했다. 페로브스카이트 레이저를 공기 중에 설치하여도 삼중항 상태 엑시톤은 산소에 의해 소멸되기에 지속적인 레이저광선 생성을 달성할 수 있다. 이는 삼중항 상태 엑시톤이 레이저 광선 소실을 초래하는 원인임을 더한층 입증한다. 이외, 레이저는 상대습도가 55%인 공기 중에서 지속적으로 1시간 작동한 후 레이저 광선 세기는 기본적으로 변하지 않고 발광 스펙트럼도 이동하지 않는다. 동 연구는 페로브스카이트 레이저 작동 과정에서 삼중항 상태 엑시톤의 핵심 역할 그리고 삼중항 상태 엑시톤에 대한 제어가 지속적인 레이저 광선 생성에서의 중요성을 입증했다. 해당 성과는 저비용, 용액에 의한 가공 및 초소형화 기반 전기 유도 페로브스카이트 레이저 소자를 개발하여 광통신, 광정보 처리, 광기억 장치 및 대규모 집적회로 플레이너 공정(Planar process)을 통해 구성된 광전자 시스템에 응용하는데 도움이 된다. 정보출처 : https://mp.weixin.qq.com/s/O3Lv6nEMA2D7VRDDNSeGrg |
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