KR102052105B1 - 격자진동을 제어할 수 있는 위상절연체 구조물과 그것을 포함하는 트랜지스터 및 솔라셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 길이에 대응하여 플라즈몬(plasmon) 주파수가 가변되는 진동제어부재의 배열을 위상절연체층에 형성시키는 것으로 원하는 포논(phonon) 주파수를 발생시킬 수 있는 위상절연체 구조물에 관한 기술로서, 상부 중간에 돌출 또는 요입된 진동제어부재가 형성된 사각의 셀을 포함하고, 다수의 셀이 좌우 및 상하방향으로 배열된 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 격자진동을 제어할 수 있는 위상절연체 구조물과 그것을 포함하는 트랜지스터 및 솔라셀에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 길이에 대응하여 플라즈몬(plasmon) 주파수가 가변되는 진동제어부재의 배열을 위상절연체층에 형성시키는 것으로 원하는 포논(phonon) 주파수를 발생시킬 수 있는 위상절연체 구조물에 관한 기술이다.
위상절연체 
의 표면은 금속의 특성을 갖지만 표면 내부는 절연체의 특성을 갖는다. 
표면 전자는 산란이 크게 억제되는 특징이 있는데, 이것은 표면 전자의 스핀 방향이 전자의 운동 방향과 항상 수직이기 때문이다. 
표면에서 불순물과 전자의 산란이 일어나도 전자의 스핀 방향은 변하지 않으며. 따라서 전자의 운동 방향 또한 바뀌지 않고 유지된다. 이러한 위상절연체 표면 전자의 특징으로 최근 위상절연체가 전자 소재로서 각광받고 있으며, 스핀 기반 양자 컴퓨터 및 광전자 소자에도 위상절연체가 활용될 전망이다. 그러나 상온에서 위상절연체 표면 전자는 전자-포논 상호작용에 의해 일정한 저항을 갖는데, 이로 인해 위상절연체 기반 소자의 상온 성능이 저하된다.
한편, 종래 포논 제어 방법은 2차원 물질인 그래핀에서 발명되었다 [J. Yan et al., Phys. Rev. Lett. 98, 166802 (2007)]. 종래 기술은 그래핀의 전자 밀도를 이용하여 그래핀의 포논을 제어한다. 약 200 meV (~50 THz)에 위치하는 포논(phonon) 주파수는 그래핀 전자 밀도와 페르미 에너지(fermi energy)에 의해 제어된다. 그래핀의 페르미 에너지의 2배 값이 포논 주파수보다 낮을 때 포논 주파수는 적색 편향되는 반면, 2배 페르미 에너지가 포논 주파수보다 높을 때 포논 주파수는 청색 편향된다.
그래핀의 경우, 포논이 위상절연체보다 비교적 높은 주파수(~50 THz)에 위치하는데, 이 영역에서 페르미 에너지는 전기적으로 제어 가능하다. 하지만, 위상절연체 포논 주파수(~2 THz)영역에서 페르미 에너지를 제어하는 것은 거의 기술적으로 불가능한데, 이것은 열에 의한 전하 생성 때문이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 길이에 대응하여 플라즈몬(plasmon) 주파수가 가변되는 진동제어부재의 배열을 위상절연체층에 형성시키는 것으로 원하는 포논(phonon) 주파수를 발생시킬 수 있는 위상절연체 구조물을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 위상절연체 구조물은, 상부 중간에 돌출 또는 요입된 진동제어부재가 형성된 사각의 셀을 포함하고, 다수의 상기 셀이 좌우 및 상하방향으로 배열된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 진동제어부재는 길이가 너비보다 긴 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 진동제어부재와 상기 셀은 길이방향으로 서로 나란하게 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 셀의 너비방향의 양측 가장자리에서부터 상기 진동제어부재까지의 이격된 총 거리는 상기 진동제어부재의 길이와 일치한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 셀의 길이방향의 양측 가장자리에서부터 상기 진동제어부재까지의 이격된 총 거리는 상기 진동제어부재의 너비와 일치한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 셀의 너비방향의 일측 가장자리에서부터 상기 진동제어부재까지의 이격된 거리(a)와, 상기 셀의 길이방향의 일측 가장자리에서부터 상기 진동제어부재까지의 이격된 거리(b)와, 상기 진동제어부재의 길이(L) 및 너비(w)는 L+2b=w+2a의 관계를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 진동제어부재의 길이는 1μm 내지 20μm인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 위상절연체 구조물은 
, 
, 
중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 위상절연체 구조물은 포토 리소그래피(photo-lithography) 공법으로 제조된 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 위상절연체 구조물의 제조 방법은, 기판 위에 위상절연체층을 위치시키는 단계, 포토 리소그래피(photo-lithography) 공법으로 상기 위상절연체층에 일정하게 배열되어 돌출 또는 요입된 진동제어부재를 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판 위에 위상절연체층을 위치시키는 단계는 분자선 에피턱셜법(molecular beam epitaxy)을 이용하여 상기 기판 위에 상기 위상절연체층이 성장되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 위상절연체층 
, 
, 
중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 위상절연체층은 10nm 내지 100nm의 높이를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 위상절연체층에 진동제어부재를 형성시키는 단계는 UV-lithography 및 ion-etching을 이용하여 식각시키는 것으로 실시되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 진동제어부재는 길이가 너비보다 긴 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 진동제어부재의 길이는 상기 진동제어부재와 너비 방향으로 인접한 다른 진동제어부재와의 거리와 일치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 진동제어부재의 너비는 상기 진동제어부재와 길이 방향으로 인접한 다른 진동제어부재와의 거리와 일치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 진동제어부재의 길이(L) 및 너비(w)와, 상기 진동제어부재와 너비 방향으로 인접한 다른 진동제어부재와의 거리(2a)와, 상기 진동제어부재와 길이 방향으로 인접한 다른 진동제어부재와의 거리(2b)는 L+2b=w+2a의 관계를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 진동제어부재의 길이는 1μm 내지 20μm인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 위상절연체 구조물에 따르면 위상절연체에서 전자-포논 상호작용을 제어하기 위한 방법으로 본 발명의 위상절연체 구조물이 활용되면 격자진동을 제어할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 위상절연체를 기반하여 트랜지스터, 솔라셀 등의 소자를 제조하면 상온 동작 성능을 개선시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 위상절연체 구조물 배열의 사시도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 위상절연체 구조물에서 진동제어부재가 요입되어 형성된 상태의 사시도.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 위상절연체 구조물에서 진동제어부재가 돌출되어 형성된 상태의 사시도.
도 4는 단위 배열 내에 다양한 길이(L)을 가지는 요입 또는 돌출된 진동제어부재가 형성된 위상절연체 구조물의 광학 현미경 사진.
도 5는 78K의 온도에서 다양한 길이(L)의 진동제어부재들의 THz 소거 E(v) 측정결과를 나타낸 그래프.
도 6은 파라미터 v, w 및 g를 갖는 Fano 간섭을 나타내며, 광학 포논(
)과 유사공진 플라즈몬(
)의 개별 에너지 레벨이 표시된 에너지 다이어그램의 개략도.
도 7은 웨이브벡터 k(적색 점)의 함수로서의 요입된 진동제어부재의 플라스몬 주파수
이 데이터에 대한 맞춤선(회색 파선)과 함께 표시된 것이고, 우측 하단 박스는 요입된 진동제어부재와 동일한 맞춤선(회색 파선)을 가진 돌출된 진동제어부재(파란색 점)의 
을 나타내는 그래프.
도 8은 Δt의 함수로서 펌프(pump)에 의해 유도된 THz 전계 변화
를 나타낸 그래프.
도 9는 서로 다른 길이(L)를 갖는 요입된 진동제어부재 각각에서 78K온도에서 획득되었으며, 펌프(pump) 프로브 지연은 Δt=6ps 환경에서 THz 소멸(extinction) ΔE(v)의 변화를 측정한 결과로서, 파란색과 빨간색 실선은 Fano 모델에서 얻은 피팅이고, 회색 점선은 ΔE(v)=0의 경우인 것을 나타낸 그래프.
도 10은 Δt=6ps에서의 k의 함수로서의
(검은색 점)은 맞춤선(빨간색 파선)으로 표시되고, 회색의 실선은 도 7의 맞춤선인 그래프.
도 11 및 도 12은
의 회색 선은 평형 포논 공진(the equilibrium phonon resonance)이고, 
의 색상 선은 광 여기 후의 포논 공진이며, 좌측은 k의 함수로서 플라즈몬과 광학 포논의 주파수를 나타내고, 우측은 포논 확장(파란색 선) 및 포논 강화(빨간색 선)를 도시한 그래프.
도 13은 Δt=ps에서
의 함수로서 과도 포논 주파수(transient phonon frequency) 
와, 포논 선폭(phonon linewidth) 
의 플롯(plot)을 나타낸 그래프.
도 14는
< 
(좌측)과 
> 
(우측) 일 때 플라즈몬과 포논 E(v)의 그래프.
도 15는 길이(L)=12μm(S12, 좌측) 및 길이(L)=6μm(S6, 우측)인 요입된 진동제어부재에 대해 3ps에서 8ps까지의 Δt에서의 시간 분해 ΔE(v) 역학관계를 나타낸 것으로, 회색 실선은 실험적으로 측정된 값이고, 파란색 및 빨간색 선은 데이터에 근거한 값이며, 수직 점선은 광 여기 후의 포논 공진을 나타낸 그래프.
도 16은 Δt의 함수로서 S12의
(주황색 점) 및 S6(회색 점)을 나타내고, 2DEG 
의 밀도 변화(우측 상부 박스)를 나타내는 그래프.
도 17은 S12의 일시적인 포논 선폭
(주황색 점) 및 S6(회색 점)을 나타내고, S12의 일시적인 포논 주파수 
(파란색 점) 및 S6(빨간색 점)(우측 상부 박스)를 나타내는 그래프.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상절연체 구조물이 채널층으로 적용된 트랜지스터의 단면도.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상절연체 구조물이 적용된 솔라셀의 단면도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 위상절연체 구조물에서 진동제어부재가 요입되어 형성된 상태의 사시도.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 위상절연체 구조물에서 진동제어부재가 돌출되어 형성된 상태의 사시도.
도 4는 단위 배열 내에 다양한 길이(L)을 가지는 요입 또는 돌출된 진동제어부재가 형성된 위상절연체 구조물의 광학 현미경 사진.
도 5는 78K의 온도에서 다양한 길이(L)의 진동제어부재들의 THz 소거 E(v) 측정결과를 나타낸 그래프.
도 6은 파라미터 v, w 및 g를 갖는 Fano 간섭을 나타내며, 광학 포논(
도 7은 웨이브벡터 k(적색 점)의 함수로서의 요입된 진동제어부재의 플라스몬 주파수
도 8은 Δt의 함수로서 펌프(pump)에 의해 유도된 THz 전계 변화
도 9는 서로 다른 길이(L)를 갖는 요입된 진동제어부재 각각에서 78K온도에서 획득되었으며, 펌프(pump) 프로브 지연은 Δt=6ps 환경에서 THz 소멸(extinction) ΔE(v)의 변화를 측정한 결과로서, 파란색과 빨간색 실선은 Fano 모델에서 얻은 피팅이고, 회색 점선은 ΔE(v)=0의 경우인 것을 나타낸 그래프.
도 10은 Δt=6ps에서의 k의 함수로서의
도 11 및 도 12은
도 13은 Δt=ps에서
도 14는
도 15는 길이(L)=12μm(S12, 좌측) 및 길이(L)=6μm(S6, 우측)인 요입된 진동제어부재에 대해 3ps에서 8ps까지의 Δt에서의 시간 분해 ΔE(v) 역학관계를 나타낸 것으로, 회색 실선은 실험적으로 측정된 값이고, 파란색 및 빨간색 선은 데이터에 근거한 값이며, 수직 점선은 광 여기 후의 포논 공진을 나타낸 그래프.
도 16은 Δt의 함수로서 S12의
도 17은 S12의 일시적인 포논 선폭
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상절연체 구조물이 채널층으로 적용된 트랜지스터의 단면도.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상절연체 구조물이 적용된 솔라셀의 단면도.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 위상절연체 구조물에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 실시예는 위상절연체의 포논(phonon) 주파수(~2 THz)영역에서 페르미 에너지를 제어하는 것이 기술적으로 매우 어려운 문제를 해결하고자 플라즈몬(plasmon) 주파수를 이용하여 전자-포논 상호작용을 유도함으로써, 결과적으로 낮은 에너지 영역(~2 THz)에서도 위상절연체의 포논 주파수(격자진동)를 제어할 수 있는 것이 특징이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상절연체 구조물(10)은 상부 중간에 돌출 또는 요입된 진동제어부재(110)가 형성된 사각의 셀(100)을 포함하고, 다수의 셀(100)이 좌우 및 상하방향으로 배열된 것을 특징으로 한다.
위상절연체 구조물(10)은 
, 
, 
중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
위상절연체의 포논은 약 2 THz 주파수에서 전자파와 공진된다. 한편, 위상절연체를 수 마이크로미터 단위의 구조로 식각하면, 수 THz 영역 주파수에서 위상절연체 플라즈몬이 전자파와 공진된다. 이 때, 위상절연체 플라즈몬의 주파수는 식각 구조 길이에 반비례하므로, 식각 구조 길이를 조절하면 플라즈몬 주파수를 제어할 수 있게 된다.
위상절연체 플라즈몬 구조에서 플라즈몬 주파수가 포논 주파수보다 낮으면 포논 주파수는 적색 편향되어 낮은 주파수로 이동된다. 반면, 플라즈몬 주파수가 포논 주파수보다 높으면 포논 주파수는 청색 편향되어 높은 주파수로 이동된다. 이때, 포논 주파수가 플라즈몬에 의해 제어되는 주파수 범위는 약 0.04 THz 이다.
플라즈몬에 의해 포논 주파수가 이동하는 이유는 전자와 포논의 상호작용 때문인데, 플라즈몬 주파수가 포논 주파수보다 낮으면 전자-포논 상호작용이 증가하는 반면, 플라즈몬 주파수가 포논 주파수보다 높으면 전자-포논 상호작용은 감소한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 위상절연체 구조물(10)은 전자-포논 상호작용을 제어할 수 있으며, 이를 이용하여 포논 주파수를 효과적으로 제어할 수 있게 된다.
위상절연체 구조물(10)은 기판(20) 위에 층으로 배치되는 것이 바람직하다. 기판(20)은 절연체 계열인 사파이어 계열 소재가 이용될 수 있다.
플라즈몬 주파수의 제어를 위해, 이 실시예의 진동제어부재(110)는 길이가 너비보다 긴 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예의 진동제어부재(110)와 셀(100)은 길이방향으로 서로 나란하게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예는 셀(100)의 너비방향의 양측 가장자리에서부터 진동제어부재(110)까지의 이격된 총 거리는 진동제어부재(110)의 길이와 일치한 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예는 셀(100)의 길이방향의 양측 가장자리에서부터 진동제어부재(110)까지의 이격된 총 거리는 진동제어부재(110)의 너비와 일치한 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예는 셀(100)의 너비방향의 일측 가장자리에서부터 진동제어부재(110)까지의 이격된 거리(a)와, 셀(100)의 길이방향의 일측 가장자리에서부터 진동제어부재(110)까지의 이격된 거리(b)와, 진동제어부재(110)의 길이(L) 및 너비(w)는 L+2b=w+2a의 관계를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예의 진동제어부재(110)의 길이는 1μm 내지 20μm인 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예의 위상절연체 구조물(10)은 포토 리소그래피(photo-lithography) 공법으로 제조된 것을 특징으로 한다.
이어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상절연체 구조물(10)의 제조 방법을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위상절연체 구조물(10)의 제조 방법은 기판(20) 위에 위상절연체층을 위치시키는 단계, 포토 리소그래피(photo-lithography) 공법으로 위상절연체층에 일정하게 배열되어 돌출 또는 요입된 진동제어부재(110)를 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예의 기판(20) 위에 위상절연체층을 위치시키는 단계는 분자선 에피턱셜법(molecular beam epitaxy)을 이용하여 기판(20) 위에 위상절연체층이 성장되는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예의 위상절연체층은 
, 
, 
중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예의 위상절연체층은 10nm 내지 100nm의 높이를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예의 위상절연체층에 진동제어부재(110)를 형성시키는 단계는 UV-lithography 및 ion-etching을 이용하여 식각시키는 것으로 실시되는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예의 진동제어부재(110)는 길이가 너비보다 긴 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예의 진동제어부재(110)의 길이는 진동제어부재(110)와 너비 방향으로 인접한 다른 진동제어부재(110)와의 거리와 일치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예의 진동제어부재(110)의 너비는 진동제어부재(110)와 길이 방향으로 인접한 다른 진동제어부재(110)와의 거리와 일치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예는 진동제어부재(110)의 길이(L) 및 너비(w)와, 진동제어부재(110)와 너비 방향으로 인접한 다른 진동제어부재(110)와의 거리(2a)와, 진동제어부재(110)와 길이 방향으로 인접한 다른 진동제어부재(110)와의 거리(2b)는 L+2b=w+2a의 관계를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 실시예의 진동제어부재(110)의 길이는 1μm 내지 20μm인 것을 특징으로 한다.
[실험 예]
위상절연체는 각도 π의 탄성 후방 산란(elastic backscattering)을 억제하여 위상학적으로 보호된 표면 디랙(Dirac) 상태를 나타내는 물질의 양자 상태이다. 승온된 상태에서, 산란 각 π 이외의 전기 전달은 유한 도전율이 주로 디랙 캐리어-포논(Dirac carrier-phonon) 산란에 의해 제한된다는 것을 나타낸다. 그러므로 위상절연체 기반 장치의 기본적인 작동 제한을 설명하기 위해 이러한 상호 작용을 조사하는 것이 필요하다. 선형 분산이 위상절연체의 표면 상태와 유사한 그래핀(graphene)과 같은 디랙 캐리어(Dirac carrier)는 디랙 페르미온-포논(Dirac fermion-phonon) 커플링 경로를 제어하기 위해 실제로 전기 또는 광학 수단을 이용할 수 있음을 보여준다.
실험을 위해, 연속된 디랙 페르미온(Dirac fermion)과 별도의 고에너지 광학 포논(~200meV) 간의 상호 작용은 G포논의 랜도(Landau) 감쇠 역학관계를 정전기적 게이팅 또는 비평형 광 여기를 사용하여 전환함으로써 조작되었다. 이 접근법이 효과적이긴 하지만, 랜도(Landau)가 입자-홀 쌍으로 댐핑되는 포논 붕괴 제어는 가장 긴 장파장 광학 포논(약 1.9THz의 α 모드)조차도 몇 meV 내에 깊이 위치하고 있기 때문에 위상절연체에서는 어려운 작업이다. 전자-포논 상호 작용에 대한 전계 효과 또는 광학적 제어가 자유 캐리어의 열적 여기로 인한 승온된 상태에서 연속체와 같은 드루데(Drude) THz 응답에 의해 쉽게 스크리닝 되도록 한다.
이 실험에서는 디랙 캐리어-포논(Dirac carrier-phonon) 상호 작용 경로를 선택적으로 조작하는 대안을 검토한다. 위상절연체의 2차원 디랙 플라즈몬(Dirac plasmons)에 대한 최근의 이론적 예측과 실험적 시연에서 영감을 얻어 2차원 디랙 플라즈몬 공진(Dirac plasmon resonance)을 조정하여 포논 댐핑 및 공진 에너지를 제어할 수 있음을 보여준다.
유사공진(quasi-resonant) 2차원 디랙 플라즈몬이 α 모드 1.9THz 포논보다 낮으면 관련 포논이 랜도 댐핑을 경험하게 되고, 높으면 관련 포논이 두드러진 포논 에너지 이동 없이 넓어지는 것을 발견하였다. α 모드 포논 에너지보다 디랙 플라즈몬 공진이 증가함에 따라, 포논 강화(phonon stiffening)는 감소된 포논 확장(phonon broadening)이 수반되는 놀라운 현상을 관찰할 수 있었다.
이 실험은 두 가지 흥미로운 특징이 상호 보완 적이라는 것을 뒷받침하며, 전자-포논 상호 작용이 2차원 디랙 플라즈몬 공학(engineering)에 의해 효과적으로 제어 될 수 있음을 확인한다.
분자선 에피턱셜법(molecular beam epitaxy)에 의해 두께가 0.5mm인 사파이어(Al2O3) 기판(20) 위에 25개의 퀸튜플 레이어(Quintuple-layer)와 15개의 퀸튜플 레이어가 있는 위상절연체 
박막의 프로토타입이 합성되었다. 디랙 플라즈몬의 기능은 단위 격자 내의 요입(slit) 또는 돌출(rod)된 진동제어부재(110)를 표준 포토 리소그래피(photo-lithography)를 사용하여 형성시키는 것으로 획득하였다. 도 4는 UV리소그래피(lithography)와 반응성 이온 에칭(ion etching)에 의해 제조된 25개의 퀸튜플 레이어 
를 갖는 요입된 진동제어부재(110)(좌측)와, 15개의 퀸튜플 레이어 
를 갖는 돌출된 진동제어부재(110)(우측)가 균일하게 배열 된 상태를 나타낸다.
요입 또는 돌출된 진동제어부재(110)의 길이(L)를 14μm에서 5μm까지 점진적으로 변화 시켜 k~π/L의 플라즈몬 운동량을 만들었다. 너비(w)는 4μm 길이로 고정하고 단위 셀의 측면은 L+w로 한다. 초고속 THz 측정을 위해 250kHz 위상절연체:사파이어 재생 증폭기(Coherent RegA 9050)를 사용하여 1.55eV 광자 에너지의 50-fs 초단 펄스를 생성했다.
피코초(ps) THz 펄스는 <110>-방향성 ZnTe 단결정에서 광 정류를 통해 생성되었으며, 샘플을 통과하는 전송된 THz 펄스는 또 다른 한 쌍의 <110>-방향성 ZnTe에서 전기 광학 샘플링에 의해 검출되었다. 또한, 1.55eV 레이저 출력의 일부를 광 여기 펄스(optical excitation pulse)로 사용했다.
먼저, 78K의 온도에서 THz 시간영역 분광기(time-domain spectroscopy)를 사용하여 패턴화된 위상절연체 구조물(10)의 푸리에 변환 투과율 T(ν)를 측정한다. 대응하는 THz 소멸 스펙트럼(extinction spectra) E(v)=1-T(v)는 도 5에 나타나 있으며, THz 전계의 분극은 플라즈몬 여기의 역 격자 벡터와 일치하도록 요입된 진동제어부재(110)의 길이와 수직되고, 돌출된 진동제어부재(110)의 길이와 평행한다.
바비넷(Babinet) 원리에 따르면, 요입된 진동제어부재(110)는 '반-쌍극자(anti-dipole)' 공진을 여기시키기 위해 수직으로 편광 된 광과 공진하며, 돌출된 진동제어부재(110)는 쌍극자(dipole) 방향을 따라 공진한다. 실제로, 요입 및 돌출된 진동제어부재(110)의 E(v) 스펙트럼은 길이(L)가 동일하기 때문에 상당히 유사하다. E(v) 스펙트럼은 α 모드 포논과 넓은 유사공진 플라즈몬(broad quasi-resonant plasmon)과 다소 상이한 공진으로 구성되며, 넓은 유사공진 플라즈몬은 길이(L)가 감소함에 따라 점점 더 높은 주파수 쪽으로 이동된다.
패터닝된 위상절연체 플라즈몬 구조물(10)에서 두 개의 다른 공진 물질은 Fano와 같은 양자 간섭을 발생시킨다. 포논(
)과 노출된 플라즈몬(bare plasmon)(
) 주파수를 얻기 위해, 도 6의 에너지 다이어그램에서 유도된 Fano 모델을 사용하여 도 5의 데이터를 맞춘다. 여기서 매개 변수 w(g)는 전형적인 로렌츠(Lorentz)의 소멸 스펙트럼을 발생시키는 방사선과 포논(플라즈몬)의 결합 계수이며, v는 플라즈몬과 포논 사이의 Fano 간섭을 결정한다. 도 5에서도 동일한 플롯(plot)에서 회색 점선으로 표시된 노출된 플라즈몬 스펙트럼을 보여준다. 
과 k 사이의 관계는 2차원 디랙 플라즈몬을 이해하는 데 중요하다. 이론적 및 실험적 연구에 의하면 
은 k의 제곱근에 비례함을 알 수 있다.
도 7의 플라즈몬 분산은 실제로 요입 및 돌출된 진동제어부재(110)의 플라즈몬이 2차원 디랙 전자 시스템에서 유래된 것을 보여준다. 그래핀의 경우와 달리, 디랙 페르미온의 무질량 입자와 2차원 전자가스(2DEG)의 거대한 입자 모두 위상절연체 플라즈몬을 구성한다. 질량이 없는 디랙 캐리어 
와 거대한 2DEG 
의 밀도가 플라즈몬 분산에서 추출되었으며, 이전의 각도 분해 광전자 방출 측정치(angle-resolved photoemission measurements)와 일치한다.
플라즈몬의 너비는 
에 강한 의존성을 보이지 않으며. 그래파인 플라즈몬(graphene plasmon) 또는 금속나노입자의 경우와 달리 엣지 산란(edge scattering)을 통한 위상절연체 플라즈몬의 감쇠는 위상절연체 플라즈몬 구조에서 무시할 수 있음을 나타낸다.
패턴화된 위상절연체 구조물(10)에서 2차원 디랙 플라즈몬을 확인한 결과, 도 8에서 2차원 디랙 플라즈몬과 포논 간의 동적 상호 작용을 조사하기 위해 펌프(pump)에 의해 유도된 소멸 스펙트럼의 변화를 보여준다.
도 8에 도시된 바와 같이, 과도적인 THz 역학관계 
는 
의 펌프 여기 후에 수 ps의 이완 시간을 나타낸다. 양의 
는 양의 ΔE(v)를 유도하여 
및 
를 일시적으로 증가시킨다(도 9 참조). α 모드 1.9THz 포논으로부터 넓은 ΔE(v)의 신호는 모든 샘플에 대해 양의 값을 가지며, 이것은 펌프로 유도된 광 캐리어 생성과 관련이 있다. Fano 모델을 사용하여 도 9의 스펙트럼 ΔE(v)를 피팅한 후, 도 10에서 광 여기 후 일시적인 플라즈몬 분산을 플롯(plot)한다. 사소한 벌크 상태의 광 여기는 
의 청색 시프트에 원인이 있다.
광 여기 후 플라즈몬 분산은 6ps의 Δt에서 증가 된 2DEG 밀도 
를 산출한다. 도 9와 도 10의 특징은 ΔE(v)가 α 모드 1.9THz 포논 공진 근처에서 길이(L)가 14μm에서 9μm 사이에서 대칭 스펙트럼이고, 8μm에서 5μm까지 비대칭 스펙트럼이라는 것이다. 여기서 14μm에서 9μm까지의 길이(L)를 갖는 
의 일시적인 값은 2.0THz보다 작고, 8μm에서 5μm까지의 길이(L)는 2.1THz보다 높다. α 모드 포논이 ~1.9THz 근처에 있는 것을 감안할 때, 일시적인 포논 역학관계가 2차원 디랙 플라즈몬 공진 
과 강하게 관련되어 있다는 것을 알 수 있다.
포논 스펙트럼의 다른 ΔE(v)는 
< 
의 경우 도 11과 같고, 
> 
의 경우 도 12와 같이 플라즈몬 및 포논 분산을 표시함으로써 개략적으로 설명 할 수 있다. 상응하는 노출된 포논 소멸 
와, 포논 소멸 
의 변화도 보여진다. 여기서, α 모드 광학 포논의 분기(branch)는 THz 범위에서의 분산이 2차원 디랙 플라즈몬에 비해 무시할 수 있는 k 의존성을 나타내기 때문에 수평선으로 표시된다.
도 11에서 증가된 포논 선폭 
는 
의 대칭 모양을 나타내므로 
< 
일 때 '포논 확대(phonon broadening)'가 포논의 동적 상태를 설명한다.
한편, 도 11의 증가된 
는 비대칭 모양의 
를 생성할 것으로 예상되므로 
< 
에서의 포논 역학관계(dynamics)는 '포논 강화(phonon stiffening)'로 설명할 수 있다. 이때, 도 11의 비대칭 
는 Fano 간섭의 산물이 아니다.
Fano-커플링 파라미터 v를 변경하더라도 비대칭 
스펙트럼을 재현하지 못한다는 것을 알 수 있다. 도 13은 포논 주파수의 변화 
와 포논 선폭 
의 변화가 표시되는 위상절연체 플라즈몬 구조물(10)의 이러한 동작을 요약한다. 
< 
일 때, 상당량의 
는 무시할만한 
로 명확하게 나타난다. 반면, 
이 
를 초과하면, 
가 급격히 감소하고 
가 0.02THz 이상으로 증가되는 것을 볼 수 있다.
α 모드 1.9THz 포논을 가로 지르는 가파른 변환은 그래핀의 전자-홀 쌍 여기를 통한 광학 포논의 랜도(Landau) 댐핑을 연상시킨다. 이 경우, 포논과 디랙 페르미온의 결합은 증가 된 포논의 댐핑과 포논 에너지의 재규격화(renormalization)를 보여준다. 도 13의 음영 영역은 α 모드 포논의 랜도(Landau) 감쇠 영역을 나타낸다. 그래핀과 비교되는 한 가지 차이점은 위상절연체 포논의 랜도 댐핑은 디랙 페르미온의 밀도 또는 전자 온도에 의존하지 않는다는 것이다. 왜냐하면 위상절연체의 페르미(Fermi) 레벨은 α 모드 포논보다 수백 배 더 크기 때문이다. 오히려, 
에 대한 
의 강한 의존성은 위상절연체 포논의 감쇠율이 2차원 디랙 플라즈몬 공진의 E(v)에 영향을 받음을 의미하며, 그 영향은 광 여기 후에 가장 강하게 나타난다. 광 여기는 벌크 포논 모드(bulk phonon mode)가 표면 전자 상태와 더 결합되도록 만든다.
도 14는 두 개의 다른 영역을 개략적으로 도시한 것으로서, 좌측은 2차원 디랙 플라즈몬이 
< 
인 경우이고, 우측은 
> 
인 경우이다. 다른 Δt에서 2차원 디랙 플라즈몬과 포논 간의 동적 상호 작용을 더 자세히 조사하기 위해, 길이(L)=12μm(S12) 및 길이(L)=6μm(S6) 인 두 개의 선택된 요입된 진동제어부재(110)에 대해 시간-분해(time-resolved) 된 THz 분광학을 수행하였다(도 15). 도 15에 도시된 시간-분해 된 ΔE(v) 스펙트럼도 도 9의 ΔE(v)와 유사한 2차원 디랙 플라즈몬의 넓은 소멸 및 포논 소멸의 빠른 변화로 구성된다. 주파수에 따른 ΔE(v) 기울기의 상승 형태는 광학적으로 여기 된 전자가 재결합 될 때 수 피코 초(ps) 이내에 완화되는 
의 청색 시프트(blue-shift)를 의미한다.
Fano 모델을 이용하여 두 샘플의 
을 Δt의 함수로 추출했다. 그 결과가 도 16에 나타나 있는데, 여기서 S12는 모든 Δt에 대해 
보다 작게 나타났으며, S6는 모든 Δt에 대해 
보다 더 높게 나타났다. 
가 약 1.9THz이기 때문에, S12에 대한 
은 초기 Δt에서도 항상 
보다 작다. 
의 완화 역학관계는 S12와 S6사이에서 상당히 유사하며, 이는 광학 여기 후 
의 변화가 위상절연체의 본질적인 비평형 디랙 페르미온 이완(relaxation)에 기인한 것으로 판단된다. 2차원 디랙 플라즈몬 분산으로부터 얻은 도 16의 우측 상부 그림에서 시간 의존적인 
는 도 8의 
의 이완 역학관계에 매우 가깝다.
이제 S12와 S6의 
와 
의 시간 종속적인 역학관계에 대해 검토한다. 도 17은 S12 및 S6에 대한 포논 댐핑을 보여준다. S12에 대한 포논 폭은 항상 Δt에서 항상 S6보다 크다. 즉, 2DEG 경우의 사소한 포논 확장과 유사하다. 이론이 예측했듯이, 밴드 벤딩-유도된(band bending-induced) 2차원 전자가 주요 원인이다. 이는 S12에 대한 
의 이완 시간이 ~4ps 정도이며 시간 상수가 광학적으로 여기 된 2DEG의 시간 상수와 매우 유사하다는 사실에 의해 뒷받침 된다(도 16의 우측 상부 그림 참조).
S6의 경우, 랜도 댐핑이 S12보다 덜 효과적이므로 
는 물론 
도 S12와 상이해야한다. S6에 대한 과도 
는 S12보다 훨씬 느린 완화 시간 (~21ps)을 나타내며 최대 값은 ~ 0.06THz에 이른다. S6에서의 작지만 유한한 
는 광학 여기 후 증가된 격자 온도(TL)로서 이해 될 수 있다.
단순한 2-온도 모델(two-temperature model)에 따르면, 광학 여기는 
에서 1100K 이상에 도달하는 전자 온도(Te)의 급격한 증가로 이어지고 전자 온도(Te)의 냉각은 격자 온도(TL)의 증가를 초래한다.
결과적으로 뜨거운 포논의 냉각 역학관계(cooling dynamics)는 느린 
과도 현상을 제어할 수 있다. 이는 도 17의 우측 상단 그림에 나타난 
역학관계에 의해서도 지원된다. 포논 보강(phonon stiffening)의 명확한 특징은 S6에서만 볼 수 있다. 랜도(Landau) 댐핑을 종료하면 S6이 전자-포논 상호 작용에 대하여 더 이상 분리되지 않게 된다. S6에 대한 
와 
사이의 ~21ps의 느린 완화 시간의 유사성은 시간적 역학관계가 S6의 경우와 다르다는 것을 입증한다.
결론적으로 디랙 캐리어-포논(carrier-phonon) 상호 작용은 2차원 디랙 플라즈몬 공진 
을 조작하여 제어할 수 있음을 입증하였다. 
이 
보다 낮을 때, 일시적인 ΔE(v) 스펙트럼에서 포논 확장(phonon broadening)이 지배적임을 관찰할 수 있다. 
의 증가는 전자-포논 결합을 통한 포논의 랜도(Landau) 감쇠를 의미한다. 대조적으로, 
이 
보다 높으면 억제된 전자-포논 결합이 관찰되어, 포논 경화가 발생된다.
이 실험은 전자와 포논의 결합이 2차원 디랙 플라즈몬에 따라 크게 상이하다는 것을 나타낸다. 이것은 2차원 기반의 플라즈몬에 의해 제어되며, 이는 위상절연체 기반 전자 및 위상절연체 플라즈몬 응용에 도움이 된다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상절연체 구조물(10)은 트랜지스터에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상절연체 구조물(10)이 적용된 트랜지스터는 기판(20)과, 기판(20) 위에 위치한 위상절연체 구조물(10)과, 위상절연체 구조물(10) 위에 위치한 드레인 전극(30)과, 드레인 전극(30)과 이격되고 위상절연체 구조물(10) 위에 위치하는 소스 전극(40)과, 소스 전극(40) 위에 위치하는 터널접합층(50)과, 터널접합층(50) 위에 위치하는 게이트 전극(60)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예의 트랜지스터는 n형 트랜지스터처럼 작동한다.
기판(20)의 소재는 실리콘(Si)이 사용된다. 기판(20) 위에는 위상절연체 구조물(10)이 층을 형성한다. 위상절연체는 표면에만 전류가 흐르므로, 이러한 특성을 이용하여 전자의 스핀을 특정 방향으로 정렬할 수 있다. 그 결과, 게이트 전극(60)을 통하여 입력되는 게이트 전압에 따라 소스 전극(40)의 스핀 방향을 제어할 수 있게 된다. 이를 위하여, 소스 전극(40)의 소재로서 강자성체가 이용될 수 있다. 절연체인 터널 접합층은 소스 전극(40) 위에 위치하고, 게이트 전극(60)은 터널 접합층 위에 위치한다. 게이트 전극(60)의 스핀 방향은 동작중에 변하면 안되므로 소스 전극(40)의 소재보다 큰 보자력을 가지는 강자성체가 사용되는 것이 바람직하다. 따라서, 게이트 적극에 인가되는 전압에 따라 소스 전극(40)의 스핀 방향이 변화되므로, 이를 이용해 드레인 전극(30)을 통하여 상이한 출력값을 얻을 수 있게 된다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상절연체 구조물은 솔라셀에 적용될 수 있다. 솔라셀은 전자기파가 수신되면 전기를 발생시키는 발전부재(10)와, 발전부재(10)에서 생성된 전기가 출력되는 전극(30, 40)을 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상절연체 구조물이 적용된 솔라셀은 기판(20)과, 기판(20) 위에 위치한 위상절연체 구조물(10)을 포함하는 발전부재와, 발전부재의 양편에 연결된 전극(30, 40)을 포함한다. 전극 중 어느 하나는 전류가 출력되는 소스 전극(40)이고, 다른 하나는 드레인 전극(30)이 된다. 위상절연체 구조물(10)을 포함하는 발전부재에 전자기파가 수신되면 전류의 흐름이 발생되는데, 특히, 위상절연체 구조물(10)에 진동제어부재(110)가 패터닝 되어있으면 전자기파와 전류의 전화 효율이 더욱 상승되는 효과가 발생된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
10 : 위상절연체 구조물 20 : 기판
30 : 드레인 전극 40 : 소스 전극
50 : 터널접합층 60 : 게이트 전극
100 : 셀 110 : 진동제어부재
30 : 드레인 전극 40 : 소스 전극
50 : 터널접합층 60 : 게이트 전극
100 : 셀 110 : 진동제어부재
Claims (21)
- 상부 중간에 포논 주파수를 제어하는 돌출 또는 요입된 진동제어부재가 형성된 사각의 셀을 포함하고,
다수의 상기 셀이 좌우 및 상하방향으로 배열된 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물. - 제1항에 있어서,
상기 진동제어부재는 길이가 너비보다 긴 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물. - 제2항에 있어서,
상기 진동제어부재와 상기 셀은 길이방향으로 서로 나란하게 형성된 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물. - 삭제
- 삭제
- 제3항에 있어서,
상기 셀의 너비방향의 일측 가장자리에서부터 상기 진동제어부재까지의 이격된 거리(a)와, 상기 셀의 길이방향의 일측 가장자리에서부터 상기 진동제어부재까지의 이격된 거리(b)와, 상기 진동제어부재의 길이(L) 및 너비(w)는 L+2b=w+2a의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물. - 제2항에 있어서,
상기 진동제어부재의 길이는 1μm 내지 20μm인 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물. - 제1항에 있어서, 상기 위상절연체 구조물은
,
,
중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물.
- 제1항에 있어서, 상기 위상절연체 구조물은
포토 리소그래피(photo-lithography) 공법으로 제조된 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물. - 기판 위에 위상절연체층을 위치시키는 단계; 및
상기 위상절연체층을 포토 리소그래피(photo-lithography) 공법으로 식각하여 돌출 또는 요입되어 일정하게 배열됨으로써 포논 주파수를 제어할 수 있는 진동제어부재를 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물의 제조 방법. - 제10항에 있어서, 상기 기판 위에 위상절연체층을 위치시키는 단계는
분자선 에피턱셜법(molecular beam epitaxy)을 이용하여 상기 기판 위에 상기 위상절연체층이 성장되는 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 위상절연체층은,
,
중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물의 제조 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 위상절연체층은 10nm 내지 100nm의 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물의 제조 방법. - 제10항에 있어서, 상기 진동제어부재를 형성시키는 단계는
UV-lithography 및 ion-etching을 이용하여 식각시키는 것으로 실시되는 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 진동제어부재는 길이가 너비보다 긴 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 제15항에 있어서,
상기 진동제어부재의 길이(L) 및 너비(w)와, 상기 진동제어부재와 너비 방향으로 인접한 다른 진동제어부재와의 거리(2a)와, 상기 진동제어부재와 길이 방향으로 인접한 다른 진동제어부재와의 거리(2b)는 L+2b=w+2a의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물의 제조 방법. - 제15항에 있어서,
상기 진동제어부재의 길이는 1μm 내지 20μm인 것을 특징으로 하는 위상절연체 구조물의 제조 방법. - 기판;
상부 중간에 포논 주파수를 제어하는 돌출 또는 요입된 진동제어부재가 형성된 사각의 셀을 포함하고, 다수의 상기 셀이 좌우 및 상하방향으로 배열된 위상절연체 구조물;
상기 위상절연체 구조물 위에 위치한 드레인 전극;
상기 드레인 전극과 이격되고, 상기 위상절연체 구조물 위에 위치하는 소스 전극;
상기 소스 전극 위에 위치하는 터널접합층; 및
상기 터널접합층 위에 위치하는 게이트 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터. - 전자기파가 수신되면 전류가 발생되는 발전부재와, 상기 발전부재와 연결된 적어도 두 개의 전극을 포함하는 솔라셀에 있어서,
상기 발전부재는 상부 중간에 포논 주파수를 제어하는 돌출 또는 요입된 진동제어부재가 형성된 사각의 셀을 포함하고, 다수의 상기 셀이 좌우 및 상하방향으로 배열된 위상절연체 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 솔라셀.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| KR1020180001238A KR102052105B1 (ko) | 2018-01-04 | 2018-01-04 | 격자진동을 제어할 수 있는 위상절연체 구조물과 그것을 포함하는 트랜지스터 및 솔라셀 |
| PCT/KR2018/013203 WO2019135480A1 (ko) | 2018-01-04 | 2018-11-01 | 격자진동을 제어할 수 있는 위상절연체 구조물과 그것을 포함하는 트랜지스터 및 솔라셀 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180001238A KR102052105B1 (ko) | 2018-01-04 | 2018-01-04 | 격자진동을 제어할 수 있는 위상절연체 구조물과 그것을 포함하는 트랜지스터 및 솔라셀 |
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- 2018-01-04 KR KR1020180001238A patent/KR102052105B1/ko active IP Right Grant
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Patent Citations (1)
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