본 과제의 연구 내용은 크게 1) 핫 캐리어 제어 시스템 개발과 2) 이 시스템을 활용한 기초 및 응용연구 나뉜다. 1) 핫 캐리어 분석 시스템 개발: 이 시스템은 변조, 관측, 분석 파트로 구성되며, 각각에 대한 설명은 다음과 같다. 첫째, 변조 파트에서는 소재에 스트레인을 인가하여 핫 캐리어의 이동도/확산계수/수명/전송 방향성 등 다각적인 측면에서 특성 향상을 유도한다. 이를 위해 선행연구를 기반으로 마이크로스코피와 연동 가능한 고정밀도의 스트레인 인가 장치를 개발한다. 둘째, 관측 파트에서는 핫 캐리어의 초고속 거동 관측을 위해 ultrafast spatial tracking microscopy (USTM) 시스템을 구축하여 이용한다. 이를 위해 펨토초 펄스 레이저를 기반으로 100 펨토초 이하의 시간 분해능과 500 nm 급의 공간 분해 측정이 가능하도록 하며, 여기에 스트레인 인가/ 저온 장치/ 초고속 광전류 장치를 순차적으로 추가하여 완전성 있는 관측 파트를 구축한다. 셋째, 분석 파트에서는 딥러닝을 활용하여 관측된 데이터로부터 주요 핫 캐리어 물성 파라미터를 고속으로 정확하게 추출해낸다. 일반적인 딥러닝은 대량의 트레이닝 데이터를 통해 신경망을 최적화하는 방식이나, 물리 실험 데이터는 상대적으로 양이 매우 적기 때문에 이러한 방식의 적용이 어렵다. 따라서 본 과제에서는 소위 physics-inspired neural network (PINN) 방식의 딥러닝을 활용하여 USTM 데이터로부터 핫 캐리어 물성을 고속/고정밀도로 추출하는 분석 시스템을 개발한다. 각 파트 개발 이후, 이들을 유기적으로 연동하여 핫 캐리어를 제어하는 종합적인 시스템을 완성한다. 이 시스템은 스트레인으로 변조되는 핫 캐리어 특성을 USTM으로 관측하고, 여기서 얻은 데이터를 PINN딥러닝 방식으로 실시간으로 분석하여 다시 변조 파트에 피드백함으로써 핫 캐리어 특성 극대화를 위한 최적 제어 조건을 탐색한다. 2) 핫 캐리어 분석 시스템의 활용: 위 시스템을 통해 본 과제의 핵심 소재인 2차원 플레티넘 다이칼코게나이드의 핫 캐리어 특성을 연구한다. 이 소재는 기존 광전자 소재 대비 우수한 공기 안정성과 광반응성, 높은 캐리어 이동도 등으로 우수한 핫 캐리어 응용 소재로 예측되며, 나노 두께의 2차원 물질로 스트레인에 의한 변조율도 매우 높을 것으로 기대된다. 따라서, 해당 소재 및 관련 이종 접합 구조를 중심으로 핫 캐리어 특성 변조 연구를 시행할 예정이다. 이러한 기초연구에서 얻은 제어 원리를 바탕으로, 스트레인제어 초고속 광전류 스위치 및 이종접합 포토디텍터를 제작하여 소자 내에서의 핫 캐리어 거동 제어를 통한 퍼포먼스 (전류 스위칭 속도 및 photo responsivity) 향상 연구를 진행할 예정이다.