전이 금속 칼코게나이드(TMD) 반도체는 큰 여기자 결합 에너지와 높은 진동자 강도(optical oscillator strengths)로 인해 흥미로운 여기자(excitonic) 물리 현상을 수반한다. 이러한 물질은 이종접합 구조로 추가로 공학적 설계를 수행함으로써 다양한 여기자 구성(exiton configurations)을 구현할 수 있다. 제2형(type-II) 밴드 정렬을 갖는 이중층 헤테로빌레이어(heterobilayer)에서는, 전자와 정공이 서로 다른 층에 존재하는 쌍극자성(dipolar) 층간 여기자(interlayer excitons)가 형성될 수 있다. 또한 모아레(moiré) 패턴은 여기자를 국소화하는 초격자 퍼텐셜(superlattice potentials)을 만들어 낼 수 있다. 본 연구에서는 자연적으로 적층된 3R- 및 2H-MoS2 이중층에서 관측되는 새로운 유형의 여기자 구조를 제시한다. 복합체에 외부 전기장을 가했을 때, 층간 트리온(interlayer trions)인 쌍극자성의 음전하를 띤 IX–에서 대칭적 IX–로의 전이가 관측된다. 이는 광발광 강도의 급격한 증가와 피크 위치에서의 적색 이동(red shift)으로 확인된다. 특히, 3R-MoS2 이중층에 내재된 자발 분극(spontaneous polarization) 전기장은 상부층과 하부층 사이에서 전자가 순차적으로 충전되도록 하여, 전자 도핑(electron doping) 하에서 IX– 구조 전이를 직접 관찰할 수 있게 한다. MoS2 이중층에서 전기장에 의해 조절 가능한 IX– 종(species)은 이국적인 여기자 상호작용과 관련된 양자 상태를 연구하기 위한 독특하고 견고한 플랫폼을 제공한다.

실리콘 및 금속 등 다양한 기판 위의 파장 가변 레이저는 광자칩 통신 및 생물학적 광학 프로브와 같은 신흥 광전자 응용에서 핵심적이다. 여기서는 그래핀 필름 위에 제작한 Zn1−xMgxO (0≤x≤0.07) 나노튜브 레이저를 보고한다. 그래핀 필름 위에 성장시킨 ZnO 나노튜브를 템플릿으로 사용함으로써, 코어–쉘 Zn1−xMgxO/ZnO 나노튜브 이종구조를 제작할 수 있다. ZnO에 비해 Zn1−xMgxO 나노튜브에서 청색 편이된 레이저 발광이 관찰되어 파장 가변성을 입증한다. 또한 Zn1−xMgxO 나노튜브 레이저는 원래의 SiO2/Si 기판으로부터 박리하여 고반사 Ag 층과 계면화할 수 있으며, 이로 인해 레이징 특성이 향상된다. 마지막으로 유한차분시간영역(finite-difference time-domain) 시뮬레이션을 수행하여 일단면에서 공기 및 Ag와 계면화된 Zn1−xMgxO 나노튜브의 레이징 특성을 조사한다. 그래핀 위의 이러한 파장 가변 나노레이저는 고성능이며 손쉽게 통합 가능한 레이저를 제작하기 위한 유망한 접근법을 제공한다.

-기반 시냅스 트랜지스터는 에너지 효율적인 AI 시스템을 위한 뉴로모픽 컴퓨팅에서 2차원 물질의 가능성을 입증한다.

초격자 퍼텐셜을 갖는 모아레(moiré) 패턴은, 상대 비틀림 또는 격자 상수 불일치가 있는 두 적층 물질을 수직으로 적층함으로써 형성될 수 있다. 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide) 기반 시스템에서 모아레 퍼텐셜 지형은 특정 원자 배열(registry)에서 층간 엑시톤(interlayer excitons, IXs)을 가둘 수 있다. 여기에서는 몰리브덴 디셀레나이드/텅스텐 디셀레나이드 이종적층(heterobilayer) 소자에서 공간적으로 고립된 포획된 IX가, 이들이 위치한 즉각적인 환경에서의 캐리어 점유(carrier filling)를 민감하게 광학적으로 탐지하는 프로브를 제공함을 보고한다. 개별적으로 포획된 IX의 공간적 위치를 지도화함으로써, 모아레 격자가 초과 캐리어로 채워지는 과정에서 방출체를 분광적으로 추적할 수 있다. 이종적층 소자에 대한 초기 도핑 시, 중성 포획 IX가 결합 에너지 ~7 meV를 갖는 정전하 IX(IX 트리온, IX trions)로 균일하게 형성된다. 추가 도핑이 진행되면, 비어 있던 초격자( superlattice ) 자리들이 순차적으로 채워지며 쿨롱 계단(Coulomb staircase)이 형성된다. 이는 가장 가까운 이웃의 모아레 자리에서의 캐리어와의 쿨롱 상호작용에 기인한 IX 트리온 방출 에너지의 단계적 변화(stepwise changes)로 나타난다. 이 비침습적이고 고도로 국소적인 기법은 쿨롱 상호작용 에너지를 특성화하고, 전하 상관 상태를 가시화하며, 모아레 초격자에서 국소 무질서(local disorder)를 탐침하는 데 있어 수송(transport) 및 비국소(non-local) 광학 감지 기법을 보완할 수 있다.

전이 금속 칼코게나이드(TMD) 반도체는 큰 여기자 결합 에너지와 높은 진동자 강도(optical oscillator strengths)로 인해 흥미로운 여기자(excitonic) 물리 현상을 수반한다. 이러한 물질은 이종접합 구조로 추가로 공학적 설계를 수행함으로써 다양한 여기자 구성(exiton configurations)을 구현할 수 있다. 제2형(type-II) 밴드 정렬을 갖는 이중층 헤테로빌레이어(heterobilayer)에서는, 전자와 정공이 서로 다른 층에 존재하는 쌍극자성(dipolar) 층간 여기자(interlayer excitons)가 형성될 수 있다. 또한 모아레(moiré) 패턴은 여기자를 국소화하는 초격자 퍼텐셜(superlattice potentials)을 만들어 낼 수 있다. 본 연구에서는 자연적으로 적층된 3R- 및 2H-MoS2 이중층에서 관측되는 새로운 유형의 여기자 구조를 제시한다. 복합체에 외부 전기장을 가했을 때, 층간 트리온(interlayer trions)인 쌍극자성의 음전하를 띤 IX–에서 대칭적 IX–로의 전이가 관측된다. 이는 광발광 강도의 급격한 증가와 피크 위치에서의 적색 이동(red shift)으로 확인된다. 특히, 3R-MoS2 이중층에 내재된 자발 분극(spontaneous polarization) 전기장은 상부층과 하부층 사이에서 전자가 순차적으로 충전되도록 하여, 전자 도핑(electron doping) 하에서 IX– 구조 전이를 직접 관찰할 수 있게 한다. MoS2 이중층에서 전기장에 의해 조절 가능한 IX– 종(species)은 이국적인 여기자 상호작용과 관련된 양자 상태를 연구하기 위한 독특하고 견고한 플랫폼을 제공한다.

실리콘 및 금속 등 다양한 기판 위의 파장 가변 레이저는 광자칩 통신 및 생물학적 광학 프로브와 같은 신흥 광전자 응용에서 핵심적이다. 여기서는 그래핀 필름 위에 제작한 Zn1−xMgxO (0≤x≤0.07) 나노튜브 레이저를 보고한다. 그래핀 필름 위에 성장시킨 ZnO 나노튜브를 템플릿으로 사용함으로써, 코어–쉘 Zn1−xMgxO/ZnO 나노튜브 이종구조를 제작할 수 있다. ZnO에 비해 Zn1−xMgxO 나노튜브에서 청색 편이된 레이저 발광이 관찰되어 파장 가변성을 입증한다. 또한 Zn1−xMgxO 나노튜브 레이저는 원래의 SiO2/Si 기판으로부터 박리하여 고반사 Ag 층과 계면화할 수 있으며, 이로 인해 레이징 특성이 향상된다. 마지막으로 유한차분시간영역(finite-difference time-domain) 시뮬레이션을 수행하여 일단면에서 공기 및 Ag와 계면화된 Zn1−xMgxO 나노튜브의 레이징 특성을 조사한다. 그래핀 위의 이러한 파장 가변 나노레이저는 고성능이며 손쉽게 통합 가능한 레이저를 제작하기 위한 유망한 접근법을 제공한다.

-기반 시냅스 트랜지스터는 에너지 효율적인 AI 시스템을 위한 뉴로모픽 컴퓨팅에서 2차원 물질의 가능성을 입증한다.

초격자 퍼텐셜을 갖는 모아레(moiré) 패턴은, 상대 비틀림 또는 격자 상수 불일치가 있는 두 적층 물질을 수직으로 적층함으로써 형성될 수 있다. 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide) 기반 시스템에서 모아레 퍼텐셜 지형은 특정 원자 배열(registry)에서 층간 엑시톤(interlayer excitons, IXs)을 가둘 수 있다. 여기에서는 몰리브덴 디셀레나이드/텅스텐 디셀레나이드 이종적층(heterobilayer) 소자에서 공간적으로 고립된 포획된 IX가, 이들이 위치한 즉각적인 환경에서의 캐리어 점유(carrier filling)를 민감하게 광학적으로 탐지하는 프로브를 제공함을 보고한다. 개별적으로 포획된 IX의 공간적 위치를 지도화함으로써, 모아레 격자가 초과 캐리어로 채워지는 과정에서 방출체를 분광적으로 추적할 수 있다. 이종적층 소자에 대한 초기 도핑 시, 중성 포획 IX가 결합 에너지 ~7 meV를 갖는 정전하 IX(IX 트리온, IX trions)로 균일하게 형성된다. 추가 도핑이 진행되면, 비어 있던 초격자( superlattice ) 자리들이 순차적으로 채워지며 쿨롱 계단(Coulomb staircase)이 형성된다. 이는 가장 가까운 이웃의 모아레 자리에서의 캐리어와의 쿨롱 상호작용에 기인한 IX 트리온 방출 에너지의 단계적 변화(stepwise changes)로 나타난다. 이 비침습적이고 고도로 국소적인 기법은 쿨롱 상호작용 에너지를 특성화하고, 전하 상관 상태를 가시화하며, 모아레 초격자에서 국소 무질서(local disorder)를 탐침하는 데 있어 수송(transport) 및 비국소(non-local) 광학 감지 기법을 보완할 수 있다.

양자 빛의 대표적 특징인 포톤 반짝맞음(photon antibunching)은 고립된 원자 및 원자와 유사한 고체계로부터 나오는 빛의 상관관계에서 관측되어 왔다. 2차원 반도체 이종접합 구조는 양자 광원(quantum light source)을 구현하는 독특한 방법을 제공한다. 즉, 여기자(exciton)를 위한 모아레(moiré) 트래핑 퍼텐셜이 양자 발광자(quantum emitters) 배열을 만들어낼 것으로 예측된다. 모아레에 포획된 여기자의 징후는 관측되었으나, 그들의 양자적 성질은 아직 확인되지 않았다. 여기서는 이종이중층(heterobilayer)에서 단일 모아레 포획 간층(interlayer) 여기자(single moiré-trapped interlayer excitons)로부터의 포톤 반짝맞음을 보고한다. 자력-광학(magneto-optical) 분광을 통해, 이산적인 비조화(anharmonic) 스펙트럼이 모아레 퍼텐셜에 포획된 결합된 밴드엣지(band-edge) 전자-정공 쌍(bound band-edge electron-hole pairs)에서 기인함을 입증한다. 마지막으로, 간층 여기자의 큰 영구 쌍극자(large permanent dipole)를 활용하여 40 meV까지의 큰 정전류(DC) 스타크( Stark ) 튜닝을 달성한다. 우리의 결과는 모아레에 국한된 여기자의 양자적 성질을 확인하며, 발광자의 불균일성 및 발광자 간 상호작용을 탐구하거나, 단일 발광자를 캐비티 모드(cavity modes)와 공명하도록 에너지적으로 튜닝하는 기회를 연다.

이성질체에서 분자 거동을 모니터링하고 구별하는 일은 화학 조성이 유사하여 생기는 장기적인 과제로 남아 있으며, 그럼에도 기능적으로는 결정적인 차이가 존재한다. 연구 분야에서의 분자 설계/구조 분석에 대한 꾸준한 요구와 산업 분야에서의 반응/품질 관리라는 필요성 때문에, 이성질체 쌍의 식별은 필수적이다. 그러나 핵자기공명 및 질량분석을 포함한 기존의 분석 기법들은 파괴적 과정이 필요하거나 대량의 시료 부피를 요구하여, 접근성이 제한된 온칩(on-chip) 또는 간단한 분석에의 적용성이 제한된다. 본 연구에서는 온칩에서 비파괴적으로 작동하며, 이성질체의 ‘구성(constitutional)’을 감별할 수 있을 뿐 아니라, 인터페이스 분자 거동을 나노그램(nanogram) 스케일의 검출 한계로 모니터링할 수 있는 그래핀-통합 테라헤르츠(THz) 메타표면 플랫폼을 제안한다. 메타표면의 나노슬릿 캐비티 어레이에 그래핀 층을 덮어줌으로써, 부유(floated) 그래핀 단일층을 극한의 테라헤르츠 전기장 구속(extreme terahertz field confinement)의 도움 아래 능동 프로빙 패드로 활용할 수 있다. 그래핀 표면의 계면 상태에 대한 높은 감도를 바탕으로, 서로 다른 전자적 성질을 갖는 구성 이성질체는 그래핀-분석물(graphene-analyte) 상호작용 속도와 그래핀 전도도의 변화를 통해 모두 포괄적으로 구별된다. 제안된 플랫폼은 6 mm 정사각형의 소형 메타표면 내부에 20 μL 미만의 시료 용액을 사용하여 구현한 원샷(one-shot) 공정을 통해, 라벨-프리 이성질체 감별 및 계면 상호작용 모니터링을 제공한다. 이러한 구성은 비파괴 방식으로 광학 분석뿐 아니라 전기적 측정과의 호환성도 제공하므로, 분자 이성질체의 특성 규명 및 거동 추적에 대한 유망한 잠재력을 갖는다.

2H-적층 이중층 MoSe_{2}의 반사율 대비 스펙트럼에서 사중극자 여기자(quadruolar exciton) 상태를 실험적으로 관측한 결과를 보고한다. 수직 전기장을 적용하면, 이중층 MoSe_{2} 내에 공존하는 쌍극자 여기자(dipolar excitons)에서 관찰되는 선형 에너지 분열과 대조적으로, 이러한 사중극자 여기자에서 이차적인 에너지 적색편이(quadratic energy redshift)가 나타난다. 우리는 수직 전기장 및 자기장을 가해줌에 따라 사중극자 여기자 상태의 스핀 및 계곡(valley) 배치를 조사하기 위해 편광 민감(헬리시티) 분해 반사율 대비 측정을 수행한다. 실험 결과를 현상론적 결합-진동자(coupled-oscillator) 모델과 비교한 결과, 사중극자 여기자 상태의 전기장 및 자기장 의존성은 간층(hole) 터널링에 의해 매개되는, 서로 다른 영구 쌍극자 모멘트를 갖는 스핀-삼중항(interlayer excitons, spin-triplet) 간층 여기자의 간층 내 및 간계곡(intervalley) 혼성화에 기인함을 시사한다. 이러한 결과는 자연 적층된 MoSe_{2} 이중층을 전기장으로 조절 가능한 다체 여기자 현상을 탐구하기 위한 유망한 플랫폼으로 자리매김하게 한다.

강한 빛-물질 상호작용을 바탕으로 여기자-여기자 상호작용을 탐구하기 위한, 고도로 조절 가능한 플랫폼으로서.

전하, 스핀, 격자 및 궤도 자유도 간의 상호작용은 강상관계에서 다양한 새로 출현하는 현상을 초래한다. 전이금속-디칼코게나이드 기반 모아레 이종구조에서는, 최근 관찰된 상관 위상들이 브릴루앙 영역의 모서리에서 유래한 모아레 밴드, 즉 이른바 K 계곡에 기반한 삼각 격자 단일 궤도 Hubbard 모델로 설명될 수 있다. Γ 계곡이라 불리는 영역 중심( zone centre )에 모아레 밴드를 호스팅하는 육각 격자 또는 추가적인 층( layer ) 자유도를 포함하는 경우, 다중 궤도 Hubbard 모델로 기술되는 더 풍부한 상(相) 다이어그램이 가능하다. 여기서는 단층 MoSe2 및 이층 2H WSe2 의 이종구조에서 Γ- 및 K 유래 밴드가 수용하는 강상관 보유(穴) 상태들 간의 조절 가능한 상호작용을 보고한다. 우리는 층과 계곡 자유도를 구분하기 위해 엑시톤–폴라론(exciton–polaron)의 거동을 특성화한다. Γ 밴드는 두 개의 궤도(two-orbital) Hubbard 모델로 기술되는 전하 이동 절연체(charge-transfer insulator)를 유발한다. 수직 방향의 전기장은 Γ 및 K 유래 밴드를 재배열하고, 층 편극 K 궤도로 캐리어가 재분배되도록 유도하여, 비너 결정(Wigner crystal)과 모르트 절연 상태(Mott insulating states)를 생성한다. 마지막으로 페르미 준위에서 Γ 및 K 궤도 간의 축퇴(degeneracy)를 얻고, 도핑 밀도에 의존하는 상전이를 동반하는 상호작용하는 상관 상태들을 관찰한다. 우리의 결과는 다중 궤도 Hubbard 모델 해밀토니언을 연구하기 위한 플랫폼을 확립한다.