KR102651543B1 - Optoelectronic deivce and Smart Window comprising thereof - Google Patents

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Abstract

본 개시에 따른 광전자 장치 및 스마트 윈도우는 기판, 상기 기판 상에 마련되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 전극부, 제 1 전극과 제 2 전극의 사이에 마련되는 활성층, 활성층을 덮는 이온 액체를 포함한다.The optoelectronic device and smart window according to the present disclosure include a substrate, an electrode portion including a first electrode and a second electrode provided on the substrate, an active layer provided between the first electrode and the second electrode, and an ionic liquid covering the active layer. Includes.

Description

광 전자 장치와 이를 포함하는 스마트 윈도우{Optoelectronic deivce and Smart Window comprising thereof}Optoelectronic device and smart window comprising the same

본 개시는 광 전자 장치와 이를 포함하는 스마트 윈도우에 관한 것이다.The present disclosure relates to an optoelectronic device and a smart window including the same.

에너지 소모를 감소시키는 것은 지구온난화의 시작 및 장치 작동 소요비용의 감소의 가능성으로 인해 전세계적으로 최우선 과제가 되고 있다. 따라서 현 기술에 대한 저전력 장치 대체제 및 에너지 소모를 간접적으로 감소시키는 장치를 찾는 것이 중요해지고 있다. 특히 이는, 광학적 특성을 전기적으로 컨트롤할 것을 요구하는 많은 광학 응용 기술에 있어서도 그러하다. 페르미 레벨(Fermi-level)과 전하운반자 밀도(charge-carrier density)를 넓은 범위로 변조하는 것이 어렵기 때문에, 물질들의 가시광 영역에서의 투과도를 조절하는 것은 큰 과제로 남아 있다.Reducing energy consumption is becoming a global priority due to the onset of global warming and the potential to reduce device operating costs. Therefore, it becomes important to find low-power device alternatives to current technologies and devices that indirectly reduce energy consumption. This is especially true for many optical applications that require electrical control of optical properties. Because it is difficult to modulate the Fermi-level and charge-carrier density over a wide range, controlling the transmittance of materials in the visible light region remains a major challenge.

스마트 윈도우는 이러한 광학적 어플리케이션의 한 예시이다. 예를 들어, 건물은 한 개발된 국가의 총 에너지 사용량의 40% 의 비중을 차지할 수 있다. 이는 주로 난방, 환기, 냉방의 높은 비용에 의해 야기된다. 이러한 비용들을 감소하는 가장 유효한 방법 중에 하나는 창문으로 인해 소모되는, 대부분 방열이 충분하지 못하기 때문에 야기되는, 에너지의 양을 감소시키는 것이다. 스마트 윈도우는 특정 조건하에서 투과도를 변화할 수 있는 윈도우를 말하며, 이는 상술한 문제에 대한 일반적 해결책이 될 수 있다. 가장 매력적인 스마트 윈도우는 전기적으로 조절되는 것으로, 수동 방식 또는 자동 방식으로 제어될 수 있다. 이는 하루 중 어떠한 시간대에도 윈도우의 특성이 가장 효율적으로 되도록 변화시키는 것을 매우 쉽게 만들어 준다. 그러나, 내구성이 강하고, 저전력으로 동작하며, 큰 폭의, 가역적인 변화를 만들 수 있는 전압방식 구동의 윈도우를 만드는 것은 어렵다. 가장 성능이 좋은 스마트 윈도우는 또한 비용이 많이 소요된다.Smart windows are one example of such optical applications. For example, buildings can account for 40% of a developed country's total energy use. This is mainly caused by the high costs of heating, ventilation and cooling. One of the most effective ways to reduce these costs is to reduce the amount of energy consumed by windows, most often due to insufficient heat dissipation. Smart windows refer to windows that can change their transmittance under certain conditions, which can be a general solution to the above-mentioned problems. The most attractive smart windows are electrically controlled and can be controlled manually or automatically. This makes it very easy to change the characteristics of Windows to be most efficient at any time of day. However, it is difficult to create a voltage-driven window that is durable, operates at low power, and can produce large, reversible changes. The best performing smart windows are also expensive.

본 개시는 광 전자 장치와 이를 포함하는 스마트 윈도우에 관한 것을 제공하고자 한다.The present disclosure is intended to provide an optoelectronic device and a smart window including the same.

일 개시에 따른 층 구조를 가지는 활성층의 광학적 특성의 동적 전기적 조절은 저전력을 이용한 이온 액체 게이팅 테크닉(ion liquid gating technic; ILG technic)을 포함할 수 있다. 본 개시는 다른 저전력 광학 장치를 비롯한 스마트 윈도우의 다양한 이슈를 이롭게 기술할 수 있다.Dynamic electrical control of the optical properties of an active layer having a layer structure according to one disclosure may include an ion liquid gating technique (ILG technique) using low power. The present disclosure can advantageously describe various issues in smart windows, including other low-power optical devices.

전술한 문제점들을 극복하기 위해, 이온 액체 게이팅 테크닉은 여러 실시예에 걸쳐 이용되며, 활성층의 광학적 특성을 동적으로 조절하는데 이용될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 기본적인 아키텍쳐는 모스팻 구조와 유사할 수 있다. 기본적인 아키텍쳐는 활성층과 접하는 소스전극과 드레인전극, 그리고 장치의 나머지 부분과 이격되는 게이트 전극을 포함할 수 있다. 그 다음, 이온 액체, 예를 들어, 상온 상태에서 액체인 이온 소금을 장치에 도포할 수 있다. 이온 액체는 모스팻에서 산화 유전체에 해당할 수 있다. 게이트전극에 인가하는 전압을 바꿈으로써, 높은 밀도의 전자가 인가되고, 활성층의 전기적 특성을 크게 바꿀 수 있다. 이러한 이온 액체 게이팅 테크닉은 가시영역과 적외선 영역에서 -3V 내지 3V의 작은 전압을 인가하는 것으로(통상의 AA 배터리와 동일한 전압의) 매우얇은 나노플레이트(수 나노미터내지 수십 나노미터 두께)에서 윈도우의 투과도를 조절할 수 있다. 이는 다양한 실시예들에 대해 물질의 흡수 특성, 투과도 특성, 반사도 특성들을 전기적으로 조절하는 것이 요구되는 어떤 종류의 응용에서도 이용될 수 있다.To overcome the problems described above, ionic liquid gating techniques are used in several embodiments and can be used to dynamically adjust the optical properties of the active layer. According to various embodiments, the basic architecture may be similar to the MOSFat structure. The basic architecture may include a source electrode and a drain electrode in contact with the active layer, and a gate electrode spaced apart from the rest of the device. An ionic liquid, for example an ionic salt that is liquid at room temperature, can then be applied to the device. Ionic liquids can correspond to oxidized dielectrics in MOSPAT. By changing the voltage applied to the gate electrode, a high density of electrons is applied, and the electrical characteristics of the active layer can be significantly changed. This ionic liquid gating technique applies a small voltage of -3V to 3V in the visible and infrared regions (same voltage as a typical AA battery) to create a window in a very thin nanoplate (several nanometers to tens of nanometers thick). Transmittance can be adjusted. This can be used in any type of application where it is desired to electrically control the absorption, transmission, or reflectance properties of a material for various embodiments.

종래의 산화 유전체를 이용한 것과 비교할 때, 본 실시예에 따른 전기이중층(EDL) 테크닉은 저전력 동작 및 훨씬 강한 전하밀도 조절 능력을 제공할 수 있다. 이는 낮은 전력 소모로 투과도를 크게 바꾸는 것을 가능하게 한다. 본 실시예에 따른 전기이중층 테크닉은 Bi2Se3와 같은 물질의 물리적 특성이나 전기 이동 특성을 변조하는 강력한 방법을 제공할 뿐만 아니라, 소자 제작 공정 또한 간소화시킬 수 있다. 전기이중층은 피펫으로 이온 액체 몇 방울을 떨어뜨리는 것으로 형성될 수 있다(피펫 방법). 이온 액체는 그들의 전기화학적 동작범위를 벗어나면 고장나서 돌이킬 수 없는 손상을 야기할 수 있다. 다행이도, 이온 액체는 손상 전압 이전에 50% 수준의 변조가 가능하다.Compared to using a conventional oxidized dielectric, the electric double layer (EDL) technique according to this embodiment can provide low power operation and much stronger charge density control ability. This makes it possible to significantly change the transmittance with low power consumption. The electric double layer technique according to this embodiment not only provides a powerful method of modulating the physical properties or electric mobility characteristics of materials such as Bi 2 Se 3 , but also simplifies the device manufacturing process. An electric double layer can be formed by dropping a few drops of ionic liquid with a pipette (pipette method). Ionic liquids can fail outside their electrochemical operating range, causing irreversible damage. Fortunately, ionic liquids can be modulated up to 50% before damaging voltage.

전기변색(Electrochromicity)는 활성층의 변화를 가져오는 방법중 하나이다. 전기변색은 성숙된 기술로 스마트 윈도우의 현재 표준인 장점을 가지고 있다. 전기변색은 또한 특정한 불투명도 수준을 유지하기 위해 일정 인가 전압을 유지할 필요가 없다. 하지만, 전기변색은 변화를 인가하기 위해 화학적 반응을 이용하며, 이는 불안정성과 원하지 않는 부작용을 야기할 수 있다. 이에 반해, 이온 액체 게이팅 테크닉은 전하운반자를 촉진하는 것을 이용하여, 상대적으로 더 안정하다. 전기변색은 또한 과열에 취약하다. 그에 반해 이온 액체는 높은 온도에서도 안정하며, 따라서 빛 흡수량이 증가하여도 손상되는 경우가적어 진다. 본 실시예에 따른 이온 액체 게이팅 테크닉은 또한 전기변색보다 더 강력하며, 동일한 전압 변화에 대해 훨씬 많은 광학 특성의 변화를 야기할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이온 액체 게이팅 테크닉은 활성층을 더 얇게 사용할 수 있게 하여서, 물질 소모, 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있게 한다.Electrochromicity is one of the methods to bring about changes in the active layer. Electrochromic is a mature technology and has the advantage of being the current standard for smart windows. Electrochromism also eliminates the need to maintain a constant applied voltage to maintain a specific level of opacity. However, electrochromism uses chemical reactions to effect changes, which can lead to instability and undesirable side effects. In contrast, ionic liquid gating techniques utilize promoting charge carriers and are therefore relatively more stable. Electrochromism is also susceptible to overheating. In contrast, ionic liquids are stable even at high temperatures, so they are less likely to be damaged even when light absorption increases. The ionic liquid gating technique according to this embodiment is also more robust than electrochromism and can cause much greater changes in optical properties for the same voltage change. Additionally, the ionic liquid gating technique according to this embodiment allows the active layer to be used thinner, thereby reducing material consumption, process time, and cost.

열변색이나 액정 방식과 같은 다른 방법은 마찬가지로 전기적인 조절이 불가능하거나, 또는 광학적 특징 변화에 많은 전압과 전력을 요구한다.Other methods, such as thermochromic or liquid crystal methods, either cannot be controlled electrically or require a lot of voltage and power to change optical characteristics.

이온 액체 게이팅 테크닉을 이용하는 다양한 실시예들은 대면적의 전기적으로 조절되는 스마트 윈도우나 넓은 동작 영역의 광학적 변조기 등의 어플리케이션으로 용이하게 이용될 수 있다. 스마트 윈도우와 같은 가능한 상업적 어플리케이션은 스마트 시계나 핸드폰, 광학 필터, 광전자 방식 데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다. 또 다른 어플리케이션은 마찬가지로 프라이버시 미러와 항공우주산업 영역에 이용될 수 있다.Various embodiments using ionic liquid gating techniques can be easily used in applications such as large-area electrically controlled smart windows or wide-operation area optical modulators. Possible commercial applications such as smart windows could include smart watches or cell phones, optical filters, and optoelectronic data storage devices. Other applications could likewise be in the area of privacy mirrors and the aerospace industry.

일 실시예에 따른 광전자 장치는, 기판;An optoelectronic device according to an embodiment includes: a substrate;

상기 기판 상에 마련되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 전극부;an electrode unit including a first electrode and a second electrode provided on the substrate;

상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 사이에 마련되는 활성층; 및an active layer provided between the first electrode and the second electrode; and

상기 활성층을 덮는 이온 액체;를 포함한다.It includes an ionic liquid covering the active layer.

상기 활성층은 칼코게나이드 나노플레이트를 포함할 수 있다.The active layer may include chalcogenide nanoplates.

상기 칼코게나이드 나노플레이트는 Bi2Se3, MoSe2, GaSe, MoS2, WSe2, WS2, Bi2Te3, ZnSe, InSe, In2Se3, ReS2 중 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다.The chalcogenide nanoplate may be formed of at least one material selected from Bi2Se3, MoSe2, GaSe, MoS2, WSe2, WS2, Bi2Te3, ZnSe, InSe, In2Se3, and ReS2.

상기 활성층은 층구조를 가지는 2차원 물질(two-dimensional (2D) layered structure material)로 형성될 수 있다.The active layer may be formed of a two-dimensional (2D) layered structure material.

상기 층구조를 가지는 2차원 물질은 Bi2Se3, MoSe2, 흑린(black phosphorus), ZnO, GaAs, Ge, Si 중 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다.The two-dimensional material having the layered structure may be formed of at least one material selected from the group consisting of Bi 2 Se 3 , MoSe 2 , black phosphorus, ZnO, GaAs, Ge, and Si.

상기 활성층의 두께는 20 나노미터 이하일 수 있다.The thickness of the active layer may be 20 nanometers or less.

상기 이온 액체는 DEME][TFSI], [DEME][BF4], [EMIM]-[BF4], [BMIM][BF4], [BMIM][TFSI], [TMPA][BF4], [DEME][FSI], [EMIM][FSI] 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The ionic liquids include DEME][TFSI], [DEME][BF4], [EMIM]-[BF4], [BMIM][BF4], [BMIM][TFSI], [TMPA][BF4], and [DEME][ It may include at least one of [FSI], [EMIM][FSI].

상기 전극부와 결합되고, 상기 광전자 장치의 광학적 특성을 변조시키는 전력원;을 더 포함할 수 있다.It may further include a power source that is coupled to the electrode unit and modulates optical characteristics of the optoelectronic device.

상기 전력원은 상기 전극부에 -3V 내지 3V의 전압을 인가하여, 상기 광전자 장치의 투명도를 변조할 수 있다.The power source may modulate the transparency of the optoelectronic device by applying a voltage of -3V to 3V to the electrode unit.

상기 제 1 전극은 상기 활성층과 전기적으로 연결되지 않도록 마련될 수 있다.The first electrode may be provided so as not to be electrically connected to the active layer.

상기 기판은 유리(glass), 사파이어(sapphire), 석영(quartz), 산화 실리콘(silicon dioxide), 질화 실리콘(silicon nitride), 질화 갈륨(gallium nitride), 플라스틱(plastics), 질화 보론(boron nitride), ITO, AZO, IZO, FTO, CdO, CdZnO, CdNiO, PEDOT, 그래핀(graphene) 중 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다.The substrate is glass, sapphire, quartz, silicon dioxide, silicon nitride, gallium nitride, plastics, and boron nitride. , ITO, AZO, IZO, FTO, CdO, CdZnO, CdNiO, PEDOT, and graphene.

상기 전극부는 상기 기판 상에 마련되는 제 3 전극을 더 포함할 수 있다.The electrode unit may further include a third electrode provided on the substrate.

상기 제 1 전극은 상기 활성층과 전기적으로 연결되지 않는 게이트 전극으로 기능하고, 상기 제 2 전극은 상기 활성층과 전기적으로 연결되며 드레인 전극으로 기능하고, 상기 제 3 전극은 상기 활성층과 전기적으로 연결되며 소스 전극으로 기능할 수 있다.The first electrode functions as a gate electrode that is not electrically connected to the active layer, the second electrode is electrically connected to the active layer and functions as a drain electrode, and the third electrode is electrically connected to the active layer and serves as a source. It can function as an electrode.

상기 제 3 전극은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과 함께 상기 기판 상의 동일 평면 상에 마련될 수 있다.The third electrode may be provided on the same plane as the first electrode and the second electrode.

상기 장치를 덮는 보호층;을 더 포함할 수 있다.It may further include a protective layer covering the device.

상기 이온 액체는 상기 보호층에 의해 봉지(encapsulation)될 수 있다.The ionic liquid may be encapsulated by the protective layer.

상기 이온 액체는 스핀 코팅(spin coating), 또는 피펫(pipette) 방식으로 상기 활성층을 덮을 수 있다.The ionic liquid may cover the active layer using spin coating or pipette method.

상기 활성층은 사각형, 원형, 삼각형, 타원형, 직사각형, 육각형, 다각형 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.The active layer may have any one of the following shapes: square, circular, triangular, oval, rectangular, hexagonal, or polygonal.

일 개시에 따른 스마트 윈도우는, 상술한 실시예에 따른 복수의 광전자 장치; 및A smart window according to one disclosure includes a plurality of optoelectronic devices according to the above-described embodiments; and

상기 복수의 광전자 장치와 결합되고, 상기 복수의 광전자 장치의 광학적 특성을 변조하는 전력원;을 포함한다.and a power source coupled to the plurality of optoelectronic devices and modulating optical characteristics of the plurality of optoelectronic devices.

본 개시에 따른 광 전자 장치와 이를 포함하는 스마트 윈도우는 -3V 내지 3V의 저전압으로도 광학적 특성이 변화될 수 있다.The optoelectronic device according to the present disclosure and the smart window including the same can have optical characteristics changed even at a low voltage of -3V to 3V.

본 개시에 따른 광 전자 장치와 이를 포함하는 스마트 윈도우는 이온 액체를 포함하여, 공정이 간이하고 비용이 절감되며 광학적 특성이 크게 변화될 수 있다. 또한, 본 개시에 따른 광 전자 장치와 이를 포함하는 스마트 윈도우는 이온 액체를 포함하여, 저전력에서 구동가능하며, 전하운반자 밀도 조절 능력이 높을 수 있다.The optoelectronic device according to the present disclosure and the smart window including the same include ionic liquid, so the process is simple, the cost is reduced, and optical properties can be greatly changed. In addition, the optoelectronic device according to the present disclosure and the smart window including the same include ionic liquid, can be driven at low power, and have a high ability to control charge carrier density.

본 개시에 따른 광 전자 장치와 이를 포함하는 스마트 윈도우는 활성층을 포함할 수 있다. 활성층은 칼코게나이드나 2차원 물질을 포함할 수 있다. 본 개시에 따른 광 전자 장치와 이를 포함하는 스마트 윈도우는 얇으면서도 광학적 특성이 우수할 수 있다.The optoelectronic device according to the present disclosure and a smart window including the same may include an active layer. The active layer may include chalcogenide or a two-dimensional material. The optoelectronic device according to the present disclosure and the smart window including the same may be thin and have excellent optical characteristics.

도 1A 내지 1D는 나노플레이트 및 나노플레이트를 포함하는 광학 장치에 관한 도면이다. 도 1A는 유리 기판 상의 Bi2Se3 나노플레이트의 광학적 이미지를 도시한 도면이다. 도 1B는 Bi2Se3 나노플레이트의 AFM 이미지를 도시한 도면이다. 도 1C는 도 1B에 따른 AFM이미지의 단면의 두께를 도시하는 그래프이다. 도 1D는 Bi2Se3 나노플레이트의 Se 원소 분포를 나타내는 SEM_EDS 매핑을 나타내는 도면이다. 도 1E는 Bi2Se3 나노플레이트의 Bi 원소 분포를 나타내는 SEM_EDS 매핑을 나타내는 도면이다. 도 1F는 이온 액체를 게이트 변조로 이용하는 광학 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1F를 참조하면, 게이트 전압은 금으로 형성된 게이트 전극과 Bi2Se3 나노플레이트 사이에 인가되며, 화살표는 광학 장치로 전파되는 빛의 방향을 나타내는 것이다. 도면 상의 스케일 바는 10 마이크로미터를 나타낸다.
도 2A 내지 2C는 Bi2Se3 나노플레이트를 포함하는 광학 장치에 관한 도면이다. 도 2A는 EDLG를 이용한 Bi2Se3 나노플레이트의 투명도 변조를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, EDL 트랜지스터의 전자 축적을 나타내는 개략적인 도면이 도시된다. EDL 트랜지스터는 이온 액체를 게이트 변조기로 이용하여 작동된다. 전하의 축적은 표면에서의 전기장이라는 결과로 나타나며, Bi2Se3 샘플의 표면에서의 표면-전하-축적층의 전하의 밀도를 변조하는데 이용될 수 있다. 도 2B는 EDL 게이트 전압이 인가되는 하에서 Bi2Se3 나노플레이트의 광학적 투과 스팩트럼을 400~900nm 영역에서 도시한 그래프이다. 도 2B를 참조하면, 광학적 투과스펙트럼은 파장이 긴 영역에서의 투과율이 파장이 짧은 영역에서의 투과율보다 높다. 스펙트럼은 EDL 게이트 전압에 양의 전압이 인가될때와 음의 전압이 인가될 때 광학적 밴드갭의 넓어짐과 좁아짐을 함께 기술한다. 도 2C는 EDL 게이트 전압이 인가될 때 15nm 두께의 Bi2Se3 나노플레이트의 광학 투과 이미지를 나타내는 도면이다. 도 2C를 참조하면, EDL 게이트 전압의 인가에 따른 Bi2Se3 나노플레이트의 광학적 변조 양상을 명백하게 확인할 수 있다.
도 3A 내지 3C는 EDL 게이트 전압 하에서 Bi2Se3 의 적외선 영역에서의 투과도와 반사도를 나타내는 도면이다. 도 3A는 EDL 게이팅 변조하에서 Bi2Se3 나노플레이트의 광학적 투과 스팩트럼을 도시한 도면이다. 도 3B는 EDL 게이팅 변조하에서 Bi2Se3 나노플레이트의 광학적 반사 스펙트럼을 도시한 도면이다. EDL 게이트 전압이 인가됨으로써 나노플레이트의 전자 플라즈마 엣지와 흡수 엣지의 동시적 변조로 인하여, 적외선 부근 영역에서의 변조 스팩트럼은 변조가능한 반사 파장 영역을 보여준다.도 3C는 밀도 함수 이론 연산에 기반한, 양의 전압이 인가된 Bi2Se3 나노플레이트의 밴드 구조를 보여주고(상부), 전압이 안가되지 않은 Bi2Se3 나노플레이트의 밴드 구조를 보여주고(중부), 음의 전압이 인가된 Bi2Se3 나노플레이트의 밴드 구조를 보여준다. 점선으로 도시된 선은 페르미 레벨의 위치를 나타낸다.
도 4A 내지 4D는 이온액체 게이트 전압의 함수에 따른 Bi2Se3 나노플레이트의 광학적 특성을 도시한다. 도 4A는 3.5 마이크로미터의 장파장과 1.5 마이크로미터의 단파장에서의 이온액체 게이트 전압의 함수에 따른 Bi2Se3 나노플레이트의 투과도 값을 나타낸다. 도 4B는 3.5 마이크로미터의 장파장과 1.5 마이크로미터의 단파장에서의 이온액체 게이트 전압의 함수에 따른 Bi2Se3 나노플레이트의 반사도 값을 나타낸다. 도 4C는 드루드 모델(Drude Model)에 기반한 실험 결과로부터 추출된 플라즈마 주파수를 나타낸다. 도 4D는 이온액체 게이트 전압의 함수에 따른 실험적으로 측정된 흡수(최대 투과도값) 시작점(onset)들과 페르미 레벨 근처(유효 밴드갭)에서의 직접 광학 천이 에너지 계산치들을 나타낸다. 도 4D를 참조하면, 속이빈 원형은 실험적으로 측정된 흡수 시작점들을 나타내며, 속이찬 원형들은 페르미 레벨 근처의 직접 광학적 천이 에너지들의 계산값들을 나타낸다. 유효 밴드갭의 증가는 최대 투과도 파장이 단파장 으로 이동하는 실험 관찰 결과와 부합된다.
도 5A 내지 5C는 EDL 게이팅 하에서 MoSe2 의 적외선 투과도를 나타낸다. 도 5A는 EDL 게이팅 변조하에서 MoSe2 플레이크의 광학적 투과 스팩트럼을 도시한 도면이다. 도 5B는 EDL 게이팅 변조하에서 MoSe2 플레이크의 광학적 반사 스펙트럼을 도시한 도면이다. EDL 게이트 전압이 인가됨으로써 나노플레이트의 전자 플라즈마 엣지와 흡수 엣지의 동시적 변조로 인하여, 적외선 부근 영역에서의 변조 스팩트럼은 변조가능 반사 파장 영역을 보여준다. 도 5C는 밀도 함수 이론 연산에 기반한, 양의 전압이 인가된 MoSe2 플레이크의 밴드 구조를 보여주고(상부), 전압이 안가되지 않은 MoSe2 플레이크의 밴드 구조를 보여주고(중부), 음의 전압이 인가된 MoSe2 플레이크의 밴드 구조를 보여준다. 점선으로 도시된 선은 페르미 레벨의 위치를 나타낸다.
도 6A 및 6B는 운송 측정에 의해 입증된 전하 상태의 변화를 나타내는 도면이다. 도 6A는 EDL 게이트 전압 하에서 Bi2Se3 나노플레이트의 운송 특성(IDS-VG)을 나타내는 도면이다. 도 6B는 EDL 게이트 전압 하에서 MoSe2 플레이크의 운송 특성(IDS-VG)을 나타내는 도면이다. MoSe2 플레이크와 비교할 때, 전하 운송 특성은 n형 도펀트로 과도핑(heavily doped)된 Bi2Se3 나노플레이트의 특성 - 페르미 레벨이 원자가 밴드로 들어가지 못하는 특성 -을 나타낸다. 화살표는 인가되는 전압의 연속적 변화 방향을 나타낸다.
도 7A 및 도 7B는 Bi2Se3 나노플레이트의 AFM 이미지를 나타내는 도면이다. 도 7A 및 7B의 좌측 이미지는 두께가 12nm인 나노플레이트와 두께가 22nm 인 나노플레이트의 AFM 이미지다. 도 7A 및 7B의 우측 이미지는 두께가 12nm인 나노플레이트와 두께가 22nm 인 나노플레이트의 단면의 두께를 나타내는 그래프이다.
도 8A 및 도 8B는 라만 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 8A는 10-450 cm-1 영역에서의 FQLs Bi2Se3 나노플레이트의 라만 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 8A는 10-450 cm-1 영역에서의 FQLs MoSe2의 라만 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도면을 참조하면, Bi2Se3 나노플레이트의 라만 스펙트럼의 피크 위치들은 서로 일관되며, 다른 층구조를 가지는 2차원물질들도 서로 일관되는 것을 확인할 수 있다.
도 9A 및 9B는 Bi2Se3 나노플레이트의 전자 회절 패턴과 TEM 이미지를 나타내는 도면이다.
도 10A 이온 액체 게이팅 전압이 음의 값에서 양의 값으로 증가할 때의 Bi2Se3 나노플레이트의 투과도 스펙트럼을 보여준다. 그 결과는 앞서 설명된 내용과 유사한 형태를 가지며, 단파장 대에서의 흡수 엣지 및 장파장 대에서의 플라즈마 엣지를 보여준다. 도 10B는 단파장(1.5um) 및 장파장(3.5um)에서의 게이트 전압에 따른 투과도 특성 변화를 보여준다.
도 11A 및 도 11B는 각각 양 및 음의 이온 액체 게이팅 전압을 인가할 때의 MoSe2 플레이크의 반사도 스펙트럼을 보여준다. 근적외선 영역에서의 변조 스펙트럼은 층상 Bi2Se3 나노플레이트의 양태와 유사함을 보인다.
도 12A 및 12B는 Bi2Se3 나노플레이트의 운송 특성(IDS-VG)을 나타내는 도면이다. 도 12A는 ([DEME]-[TFSI]) 이온액체 게이트 효과를 이용한 Bi2Se3 나노플레이트의 의 운송 특성(IDS-VG)을 나타내는 도면이다. 도 12B는 ([EMIM]-[BF4]) 이온액체 게이트 효과를 이용한 Bi2Se3 나노플레이트의 의 운송 특성(IDS-VG)을 나타내는 도면이다.
도 13A 내지 13D는 디바이스 공정 프로세스를 나타내는 도면이다. 도 13A는 유리 기판 상에 Bi2Se3 나노플레이트를 마련하는 단계를 나타낸다. 도 13B는 포토리소그래피 공정 단계를 수행한 이후에 게이트,소스,드레인의 윤곽을 나타내는 도면이다. 도 13C는 Bi2Se-3 나노플레이트 상에 포토리소그래피공정을 수행한 이후의 장치의 윤곽을 나타내는 도면이다. 도 13D는 Bi2Se-3 나노플레이트 상에 금 전극을 형성하는 단계를 나타내는 도면이다. 본 실시예에 따른 장치는 50 마이크로미터의 너비와 30 마이크로미터의 폭을 가질 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 광 전자 장치의 개략적인 평면도이다.
도 15는 도 14에 따른 광 전자 장치를 A-A'을 따라 자른 개략적인 단면도이다.
도 16은 도 14에 따른 광 전자 장치의 제 1 전극에 전압을 인가한 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 17은 도 14에 따른 광 전자 장치의 제 1 전극에 전압을 인가한 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 18은 다른 실시예에 따른 광 전자 장치의 개략적인 평면도이다.
도 19는 도 18에 따른 광 전자 장치를 B-B'을 따라 자른 개략적인 단면도이다.
도 20은 도 18에 따른 광 전자 장치를 C-C'을 따라 자른 개략적인 단면도이다.
도 21은 일 실시예에 따른 스마트 윈도우의 개략적인 평면도이다.
1A to 1D are diagrams of nanoplates and optical devices including nanoplates. Figure 1A is a diagram showing an optical image of Bi2Se3 nanoplates on a glass substrate. Figure 1B is a diagram showing an AFM image of a Bi2Se3 nanoplate. FIG. 1C is a graph showing the thickness of the cross section of the AFM image according to FIG. 1B. Figure 1D is a diagram showing SEM_EDS mapping showing the distribution of Se element in Bi2Se3 nanoplates. Figure 1E is a diagram showing SEM_EDS mapping showing the distribution of Bi elements in Bi2Se3 nanoplates. Figure 1F is a diagram schematically showing the configuration of an optical device using ionic liquid as gate modulation. Referring to Figure 1F, a gate voltage is applied between the gate electrode formed of gold and the Bi2Se3 nanoplate, and the arrow indicates the direction of light propagating to the optical device. The scale bar on the figure represents 10 micrometers.
2A to 2C are diagrams of optical devices including Bi2Se3 nanoplates. Figure 2A is a diagram showing transparency modulation of Bi2Se3 nanoplates using EDLG. Referring to Figure 1, a schematic diagram showing electron accumulation in an EDL transistor is shown. EDL transistors operate using ionic liquid as a gate modulator. The accumulation of charge results in an electric field at the surface, which can be used to modulate the charge density of the surface-charge-accumulation layer on the surface of the Bi2Se3 sample. FIG. 2B is a graph showing the optical transmission spectrum of Bi2Se3 nanoplates in the 400-900 nm region under the application of an EDL gate voltage. Referring to Figure 2B, in the optical transmission spectrum, the transmittance in the long wavelength region is higher than the transmittance in the short wavelength region. The spectrum describes the widening and narrowing of the optical band gap when a positive and negative voltage is applied to the EDL gate voltage. Figure 2C is a diagram showing an optical transmission image of a 15 nm thick Bi2Se3 nanoplate when an EDL gate voltage is applied. Referring to Figure 2C, the optical modulation pattern of the Bi2Se3 nanoplate according to the application of the EDL gate voltage can be clearly confirmed.
3A to 3C are diagrams showing the transmittance and reflectance of Bi2Se3 in the infrared region under an EDL gate voltage. Figure 3A is a diagram showing the optical transmission spectrum of Bi2Se3 nanoplates under EDL gating modulation. Figure 3B is a diagram showing the optical reflection spectrum of Bi2Se3 nanoplates under EDL gating modulation. Due to the simultaneous modulation of the electronic plasma edge and absorption edge of the nanoplate by applying the EDL gate voltage, the modulation spectrum in the near-infrared region shows the range of modifiable reflection wavelengths. Figure 3C shows the positive wavelength range, based on density functional theory calculations. It shows the band structure of the Bi2Se3 nanoplate to which voltage was applied (top), the band structure of the Bi2Se3 nanoplate to which no voltage was applied (middle), and the band structure of the Bi2Se3 nanoplate to which a negative voltage was applied. The dashed line indicates the location of the Fermi level.
Figures 4A-4D show the optical properties of Bi2Se3 nanoplates as a function of ionic liquid gate voltage. Figure 4A shows the transmittance values of Bi2Se3 nanoplates as a function of ionic liquid gate voltage at a long wavelength of 3.5 micrometers and a short wavelength of 1.5 micrometers. Figure 4B shows the reflectance values of Bi2Se3 nanoplates as a function of ionic liquid gate voltage at a long wavelength of 3.5 micrometers and a short wavelength of 1.5 micrometers. Figure 4C shows plasma frequencies extracted from experimental results based on the Drude Model. Figure 4D shows the experimentally measured onsets of absorption (maximum transmission) and calculated direct optical transition energies near the Fermi level (effective bandgap) as a function of the ionic liquid gate voltage. Referring to Figure 4D, the hollow circles represent experimentally measured absorption onsets and the solid circles represent calculated direct optical transition energies near the Fermi level. The increase in effective bandgap is consistent with the experimental observation that the maximum transmission wavelength shifts to a shorter wavelength.
Figures 5A to 5C show MoSe 2 under EDL gating. Indicates the infrared transmittance of . Figure 5A shows MoSe 2 under EDL gating modulation. This is a diagram showing the optical transmission spectrum of the flake. Figure 5B shows MoSe 2 under EDL gating modulation. This diagram shows the optical reflection spectrum of the flake. Due to the simultaneous modulation of the electronic plasma edge and absorption edge of the nanoplate by applying the EDL gate voltage, the modulation spectrum in the near-infrared region shows a modifiable reflection wavelength region. Figure 5C shows MoSe 2 with positive voltage applied, based on density functional theory calculations. Showing the band structure of the flake (top), MoSe 2 without voltage applied. Shows the band structure of the flake (center) and MoSe 2 with applied negative voltage. Shows the band structure of the flake. The dashed line indicates the location of the Fermi level.
Figures 6A and 6B are plots showing changes in charge state as evidenced by transport measurements. Figure 6A is a diagram showing the transport characteristics (I DS -V G ) of Bi2Se3 nanoplates under EDL gate voltage. Figure 6B shows MoSe 2 under EDL gate voltage. This is a diagram showing the transport characteristics (I DS -V G ) of flakes. MoSe 2 Compared to flakes, the charge transport properties are similar to those of Bi2Se3 nanoplates heavily doped with n-type dopant - the Fermi level does not enter the valence band. The arrow indicates the direction of continuous change in the applied voltage.
Figures 7A and 7B are diagrams showing AFM images of Bi2Se3 nanoplates. The left images of Figures 7A and 7B are AFM images of a nanoplate with a thickness of 12 nm and a nanoplate with a thickness of 22 nm. The right images of FIGS. 7A and 7B are graphs showing the cross-sectional thickness of a nanoplate with a thickness of 12 nm and a nanoplate with a thickness of 22 nm.
Figures 8A and 8B are graphs showing Raman spectra. Figure 8A is a graph showing the Raman spectrum of the FQLs Bi2Se3 nanoplate in the 10-450 cm -1 region. Figure 8A is a graph showing the Raman spectrum of FQLs MoSe 2 in the 10-450 cm -1 region. Referring to the drawing, it can be seen that the peak positions of the Raman spectra of Bi2Se3 nanoplates are consistent with each other, and that two-dimensional materials with different layer structures are also consistent with each other.
Figures 9A and 9B are diagrams showing electron diffraction patterns and TEM images of Bi2Se3 nanoplates.
Figure 10A shows the transmission spectrum of Bi2Se3 nanoplates as the ionic liquid gating voltage increases from negative to positive values. The result has a similar form to that described previously and shows an absorption edge in the short wavelength band and a plasma edge in the long wavelength band. Figure 10B shows the change in transmittance characteristics according to the gate voltage at short wavelength (1.5um) and long wavelength (3.5um).
Figures 11A and 11B show reflectance spectra of MoSe2 flakes upon applying positive and negative ionic liquid gating voltages, respectively. The modulation spectrum in the near-infrared region appears similar to that of layered Bi2Se3 nanoplates.
Figures 12A and 12B are diagrams showing the transport characteristics (I DS -V G ) of Bi2Se3 nanoplates. Figure 12A is a diagram showing the transport characteristics (I DS -V G ) of Bi2Se3 nanoplates using the ([DEME]-[TFSI]) ionic liquid gate effect. Figure 12B is a diagram showing the transport characteristics (I DS -V G ) of Bi2Se3 nanoplates using the ([EMIM]-[BF4]) ionic liquid gate effect.
13A to 13D are diagrams showing a device manufacturing process. Figure 13A shows steps for preparing Bi2Se3 nanoplates on a glass substrate. Figure 13B is a diagram showing the outlines of the gate, source, and drain after performing photolithography processing steps. Figure 13C is a diagram showing the outline of the device after performing a photolithography process on a Bi 2 Se- 3 nanoplate. Figure 13D is a diagram showing the step of forming a gold electrode on a Bi 2 Se- 3 nanoplate. The device according to this embodiment may have a width of 50 micrometers and a width of 30 micrometers.
14 is a schematic plan view of an optoelectronic device according to one embodiment.
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of the optoelectronic device according to FIG. 14 taken along line A-A'.
FIG. 16 is a cross-sectional view schematically showing the application of voltage to the first electrode of the optoelectronic device according to FIG. 14.
FIG. 17 is a cross-sectional view schematically showing the application of voltage to the first electrode of the optoelectronic device according to FIG. 14.
18 is a schematic plan view of an optoelectronic device according to another embodiment.
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view of the optoelectronic device according to FIG. 18 taken along line B-B'.
FIG. 20 is a schematic cross-sectional view of the optoelectronic device according to FIG. 18 taken along line C-C'.
Figure 21 is a schematic plan view of a smart window according to one embodiment.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 광전자 장치 및 스마트 윈도우에 대해 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.Hereinafter, the optoelectronic device and smart window will be described in detail with reference to the attached drawings. The width and thickness of layers or regions shown in the attached drawings may be somewhat exaggerated for clarity and convenience of description. Like reference numerals refer to like elements throughout the detailed description.

본 개시에서 사용되는 용어는 실시예들에서 구성요소들의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 실시예에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시예의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. The terminology used in the present disclosure selects general terms that are currently widely used as much as possible while considering the functions of the components in the embodiments, but this may vary depending on the intention or precedent of a technician working in the art, the emergence of new technology, etc. . In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the relevant embodiment. Therefore, the terms used in this embodiment should be defined based on the meaning of the term and the overall content of this embodiment, rather than simply the name of the term.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. Terms are used only to distinguish one component from another.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. Additionally, when a part "includes" a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

그래핀 이전의 층구조를 가지는 이차원 물질(2D layered structure material)의 출현은 낮은 차원의 전기 시스템의 탐험에 새로운 지평을 가져왔다. 이러한 층구조를 가지는 이차원 물질, 예를 들어 육각형의 질화 붕소(h-BN)나 전이금속 디칼코게니드(transition metal dichalcogenides;TMDCs), 은 여러 층 사이의 약한 반데르발스 힘과 여러 층들 사이의 강한 공유 결합에 의해 형성될 수 있다. 층구조를 가지는 이차원 물질 결정의 다양한 스펙트럼 특성은 투명 전극, 센싱, 비선형 광학, 벨리트로닉스(vellytronics)의 잠재적 어플리케이션을 가능하게 할 수 있다. 층구조를 가지는 이차원 물질의 하나의 종류인 셀렌화 비스무트(Bi2Se3)는 위상 절연체(topological insulator;TI)로 기능할 수 있음이 나타났다. 이는 셀렌화 비스무트의 깨어지지 않는 시간역전(time-reversal) 대칭성의 결과로 샘플 경계에서의 틈없는 선형 에너지 분산 관계와 벌크에서의 밴드 절연 특성에 의해 특징지어질 수 있다. 최근에는 몇몇 연구 그룹이 셀렌화 비스무트의 전기광학적 특성이 벌크 도핑, 삽입층, 표면 축적에 의해 조절될 수 있음을 밝혔다. 셀렌화 비스무트의 광학적 특성의 큰 변화는 이 물질 시스템에서 특별한 관심을 야기시켰다. 그러나, 그러한 공정들은 물질 준비 단계에서 완료되어야만 하고, 물질의 광학적 특성은 일단 광학 장치가 완성되고 나면 바뀔 수 없었다. 층을 이룬 디칼코게나이드의 광학적 특성의 동적 전기 조절은 아직 보고된바 없다. 이는 전통적인 전기 게이팅 접근방식으로는 넓은 영역에서의 칼코게나이드들의 페르미 레벨 및 운반자 밀도를 조절하는 것이 어려운 것에 기인하는 것이다.The emergence of 2D layered structural materials prior to graphene has brought new horizons to the exploration of low-dimensional electrical systems. Two-dimensional materials with such a layered structure, such as hexagonal boron nitride (h-BN) or transition metal dichalcogenides (TMDCs), have weak van der Waals forces between multiple layers and strong interlayers. Can be formed by covalent bonds. The diverse spectral properties of layered two-dimensional material crystals could enable potential applications in transparent electrodes, sensing, nonlinear optics, and vellytronics. It has been shown that bismuth selenide (Bi 2 Se 3 ), a type of two-dimensional material with a layered structure, can function as a topological insulator (TI). This is a result of the unbroken time-reversal symmetry of bismuth selenide, which can be characterized by a gapless linear energy dispersion relationship at the sample boundary and a band-insulating property in the bulk. Recently, several research groups have shown that the electro-optical properties of bismuth selenide can be tuned by bulk doping, intercalation layers, and surface accumulation. The large changes in the optical properties of bismuth selenide have raised special interest in this material system. However, such processes must be completed at the material preparation stage, and the optical properties of the material cannot be changed once the optical device is completed. Dynamic electrical control of the optical properties of layered dichalcogenides has not yet been reported. This is due to the difficulty in controlling the Fermi level and carrier density of chalcogenides in a wide area using traditional electrical gating approaches.

이러한 문제들을 극복하기 위해, 여러 실시예들에 따르면, 상온에서의 전기-이중층(EDL) 게이팅 테크닉이 적외선 영역에서 가시광선 파장 영역에 이르기 까지 층구조를 가지는 이차원 물질의 광학적 특성을 동적으로 조절하기 위해 사용될 수 있다. EDL 게이팅에 의해 유도되는 동적 광학적 변조는 삽입층 기법에는 적합하지 않는 어플리케이션들, 예를 들어, 넓은 파장 대역의 광학적 변조기와 대면적의 전기적으로 컨트롤 되는 스마트 윈도우에도 이용될 수 있다. 게이팅 테크닉은 전기적으로 조절되므로, 이러한 장치들은 광 센서와 배터리를 이용하여 용이하게 조절될 수 있기 때문이다. 여기서, 층구조를 가지는 이차원 물질은 층구조를 가지는 이차원 구조를 자연적으로 형성할 수 있는 물질이나 수 나노미터에서 십수 나노미터 수준의 매우 얇게 층 구조를 형성할 수 있는 물질을 말한다. 예를 들어, 층구조를 가지는 이차원 물질은 셀렌화 비스무트나, 셀렌화 몰리브덴, 그리고 Si 까지도 포함할 수 있다.To overcome these problems, according to various embodiments, an electric-double layer (EDL) gating technique at room temperature is used to dynamically adjust the optical properties of layered two-dimensional materials from the infrared region to the visible wavelength region. can be used for Dynamic optical modulation induced by EDL gating can also be used in applications that are not suitable for embedded layer techniques, such as wide-wavelength optical modulators and large-area electrically controlled smart windows. Because the gating technique is electrically controlled, these devices can be easily controlled using optical sensors and batteries. Here, a two-dimensional material with a layered structure refers to a material that can naturally form a two-dimensional structure with a layered structure or a material that can form a very thin layered structure of a few nanometers to dozens of nanometers. For example, two-dimensional materials with a layered structure may include bismuth selenide, molybdenum selenide, and even Si.

EDL 게이팅은 이온 액체(ionic liquid;IL)을 게이트 유전체로 이용하여 효율적으로 전기적 상태를 조절하고, 반도체의 페르미 에너지(EF) 를 넓은 범위에서 조율할 수 있다. 종래의 산화 유전체 이용과 비교할 때, EDL 게이팅 테크닉은 저 전력과, 높은 이동성, 빠른 스위칭, 그리고 큰 전하운반자 밀도 조절을 제공할 수 있다. 게이트 전압(VG)가 전극에 인가될 때, 전기 이중층(EDL)이 이온의 재배치 이후에 액체/고체(L/S) 계면에서 생겨나고, 나노갭 축전기(nanogap capacitor)로 인해 큰 전기용량을 만들 수 있다. 전기 이중층의 전기용량은 10 μF/cm2 을 초과할 수 있는바, 이는 동일한 게이트 전압(VG) 하에서 종래의 산화 유전체를 포함하는 FET 보다 더 효과적으로 샘플의 표면에 보다 많은 전하 운반자들을 축적(accumulate)하거나 고갈(deplete)시킬 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 진보는 접촉면의 전기적 상태의 전기적 변조의 향상을 가져올 수 있다. 예를 들어, ZrNCl 와 SrTiO3 에서 정전기적으로 유도되는 초전도성을 가질 수 있다. 예견되지 않았던 이온 액체의 게이팅 능력는 게이트 전압에 음의 전압 또는 양의 전압을 인가함으로써 셀렌화 비스무트 나노플레이트를 통한 광학적 투과도 변화의 동적 증가를 가져올 수 있다. 이에 대한 자세한 측면은 후술하도록 한다. 유사한 광학적 변화의 동적 조절은 다른 층을 이루는 TMDC 물질, 예를 들어, MoSe2 , 에 의해서도 관찰될 수 있다. 저도핑된 MoSe2 는, 셀렌화 비스무트와는 대조되게, 게이트 전압의 부호와는 무관한 광학적 조절 특성을 보여주며, 이는 그 자신의 양극성(ambipolar) 전기 특성과 잘 부합한다. 이온액체 게이팅 테크닉은 단지 셀렌화 비스무트와 같은 물질의 전기적 수송 및 다른 물리적 특성을 변조하는 강력한 방법일 뿐만 아니라, 에너지 소모를 절감하고 공정을 간략화 할 수 있다. 이온 이송과 EDL 형성에 기초한 EDL 게이팅 테크닉은 게이트 전극이 게이트 물질로부터 멀리 떨어지는 것을 허락하며, 이는 종래의 게이트 구조에서 빛을 차단하는, 물질 위에 형성된 금속 게이트 구조를 완벽하게 제거할 수 있도록 해준다. 이는 광학적 측정이나 광학 장치 디자인에 있어서 이점을 제공한다.EDL gating uses an ionic liquid (IL) as a gate dielectric to efficiently control the electrical state and adjust the Fermi energy (E F ) of the semiconductor over a wide range. Compared to the use of conventional oxide dielectrics, the EDL gating technique can provide low power, high mobility, fast switching, and large charge carrier density control. When a gate voltage (V G ) is applied to the electrode, an electric double layer (EDL) is created at the liquid/solid (L/S) interface after rearrangement of ions, creating a large capacitance due to the nanogap capacitor. You can make it. The capacitance of the electric double layer is 10 μF/cm 2 This means that under the same gate voltage (V G ), more charge carriers can be accumulated or depleted on the surface of the sample more effectively than a FET containing a conventional oxidized dielectric. do. These advances can lead to improved electrical modulation of the electrical state of the contact surface. For example, ZrNCl and SrTiO 3 It can have electrostatically induced superconductivity. The unexpected gating ability of ionic liquids can lead to a dynamic increase in optical transparency changes through bismuth selenide nanoplates by applying negative or positive voltages to the gate voltage. Detailed aspects of this will be described later. Similar dynamic control of optical changes can also be observed with other layered TMDC materials, such as MoSe 2 . Lowly doped MoSe 2 , in contrast to bismuth selenide, shows optical tuning properties independent of the sign of the gate voltage, which are in good agreement with its own ambipolar electrical properties. Ionic liquid gating techniques are not only a powerful way to modulate the electrical transport and other physical properties of materials such as bismuth selenide, but can also reduce energy consumption and simplify the process. The EDL gating technique, based on ion transport and EDL formation, allows the gate electrode to be moved away from the gate material, completely eliminating the metal gate structure formed on the material, which blocks light in conventional gate structures. This provides advantages in optical measurements and optical device design.

[물질 준비와 특성][Material preparation and properties]

일부 실시예에 따르면, 2D 나노플레이트는 용매열합성(solvothermal synthesis) 기법을 이용하여 합성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 셀렌화 비스무트 나노플레이트는 용매열합성 방식으로 합성될 수 있다. 나노플레이트의 두께는 수 나노미터에서 십 나노미터에 이를 수 있다. 나노플레이트의 수평방향 차원은 80마이크로미터에 달하거나 또는 더 클수도 있으며, 이는 용매열합성을 이용한 다른 보고된 물질보다 더 크며, 광학적 연구의 좋은 플랫폼을 제공할 수 있다. 유리 기판에 마련되는 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 통상의 광학적 이미지는 도 1A에 도시된다. 도 1A를 참조하면, 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 수평방향 크기는 50마이크로미터 정도이다. 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 두께는 AFM 방식으로 촬영될 수 있으며, 이는 도 1B에 도시된다. 도 1C는 도 1B에 따른 나노플레이트의 수평방향에 따른 두께 그래프를 도시하며, 나노플레이트의 두께는 대략 11나노미터 정도이다. 나노플레이트의 다른 두께를 가지는 실시예는 도 7에서 후술한다. 나노플레이트의 성장의 균일성을 확인하기 위해서는 라만 분광학(raman spectroscopy)를 이용할 수 있으며, 이는 도 8에 도시된다. 도 8을 참조하면, 세 개의 뚜렷한 특성 피크가 71 cm- 1 , 131 cm- 1 , 173 cm-1 에서 확인되며, 이는 기존에 보고된 셀렌화 비스무트의 라만 스펙트럼과 매우 잘 부합한다. [참고 Zhang, J., et al. Raman Spectroscopy of Few-Quintuple Layer Topological Insulator Bi2Se3 Nanoplatelets. Nano Lett 11, 2407-2414 (2011).]. 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 구성요소를 더 잘 확인하기 위해서는 셀렌화 비스무트 나노플레이트를 스캐닝 전자 현미경 에너지 분산 X-ray 스펙트로스코피(SEM-EDS)를 이용하여 매핑할 수 있으며, 그 결과가 도 1D와 1E에 도시된다. 전자 회절 결과는 도 9B에서 도시되며 나노플레이트의 단결정 특성을 나타낸다. According to some embodiments, 2D nanoplates may be synthesized using solvothermal synthesis techniques. For example, in one embodiment, bismuth selenide nanoplates can be synthesized solvothermically. The thickness of nanoplates can range from a few nanometers to tens of nanometers. The horizontal dimension of the nanoplates can reach 80 micrometers or even larger, which is larger than other reported materials using solvothermal synthesis and can provide a good platform for optical studies. A typical optical image of bismuth selenide nanoplates prepared on a glass substrate is shown in Figure 1A. Referring to Figure 1A, the horizontal size of the bismuth selenide nanoplate is about 50 micrometers. The thickness of bismuth selenide nanoplates can be imaged by AFM, which is shown in Figure 1B. Figure 1C shows a thickness graph along the horizontal direction of the nanoplate according to Figure 1B, and the thickness of the nanoplate is approximately 11 nanometers. Examples having different thicknesses of nanoplates will be described later with reference to FIG. 7 . Raman spectroscopy can be used to confirm the uniformity of nanoplate growth, which is shown in FIG. 8. Referring to Figure 8, three distinct characteristic peaks are observed at 71 cm - 1 , 131cm - 1 , It is confirmed at 173 cm -1 , which matches very well with the previously reported Raman spectrum of bismuth selenide. [Reference Zhang, J., et al. Raman Spectroscopy of Few-Quintuple Layer Topological Insulator Bi2Se3 Nanoplatelets. Nano Lett 11, 2407-2414 (2011).]. To better identify the components of the bismuth selenide nanoplates, the bismuth selenide nanoplates can be mapped using scanning electron microscopy energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS), and the results are shown in Figures 1D and 1E. is shown in Electron diffraction results are shown in Figure 9B and indicate the single crystalline nature of the nanoplates.

EDL 게이팅에 의해 조절되는 셀린화 비스무트 나노플레이트의 광학적 변조를 보이고, 이온 액체 게이팅이 있는 경우와 없는 경우의 개별적 나노플레이트의 특성을 비교하기 위해 광학적 스펙트럼을 측정하였다. 도 1F는 실시예에 따른 게이트 변조를 위한 EDL을 사용하는 디바이스의 배치를 나타낸다. 셀렌화 비스무트 나노플레이트와 금 게이트 전극 사이에 전압이 인가될 수 있다. 덮개 유리는 EDL의 두께를 균일하게 만들어 렌즈 효과 및 공정 이후의 액체 움직임으로 인한 효과를 감소시킬 수 있다. 화살표는 장치를 통해 전파되는 빛의 방향을 나타낸다. 본 실시예에 따른 이온 액체는 N-diethyl-N-(2-methoxyethyl)-N-methylammonium bis- (trifluoromethylsulfonyl)-imide ([DEME]-[TFSI]) 일 수 있다. [DEME]-[TFSI]는 이미다졸륨 기반의 화합물로 높은 이온 전도도를 가지며, EDL 장치에서 광범위하게 사용된다. [DEME]-[TFSI]는 가시광에서부터 중적외선 영역까지 매우 넓은 투명한 파장 영역대를 가질 수 있으며, 관심 주파수 영역을 완전히 커버할 수 있다. 이온 액체의 한 방울은 금 전극과 셀렌화 비스무트 나노플레이트에 모두 놓여질 수 있고, 전극은 도 1F에서 도시된바와 같이 금/이온액체/셀렌화 비스무트/금 배열을 형성하도록 부착될 수 있다. 디바이스의 소스와 전극 사이의 크기는 너비 W=50μm  이며, 길이 L=30μm 일 수 있다. 장치의 크기가 바뀔 수도 있다는 점은 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 장치의 길이는 100 나노미터에서 미터까지 변화될 수 있으며, 너비는 수십 나노미터에서 미터까지 변화할 수 있다. 장치는 이온 액체 물방울에 의해 덮여질 수 있다. Optical modulation of bismuth selinide nanoplates controlled by EDL gating was shown, and optical spectra were measured to compare the properties of individual nanoplates with and without ionic liquid gating. Figure 1F shows the arrangement of a device using EDL for gate modulation according to an embodiment. A voltage may be applied between the bismuth selenide nanoplate and the gold gate electrode. The cover glass can uniformize the thickness of the EDL, reducing lens effects and effects due to liquid movement after processing. The arrow indicates the direction of light propagating through the device. The ionic liquid according to this embodiment may be N-diethyl-N-(2-methoxyethyl)-N-methylammonium bis-(trifluoromethylsulfonyl)-imide ([DEME]-[TFSI]). [DEME]-[TFSI] is an imidazolium-based compound that has high ionic conductivity and is widely used in EDL devices. [DEME]-[TFSI] can have a very wide transparent wavelength range from visible light to the mid-infrared region and can completely cover the frequency range of interest. A drop of ionic liquid can be placed on both a gold electrode and a bismuth selenide nanoplate, and the electrodes can be attached to form a gold/ion liquid/bismuth selenide/gold arrangement, as shown in Figure 1F. The size between the source and electrode of the device may be width W=50μm and length L=30μm. It should be understood that the size of the device may change. For example, the length of the device can vary from 100 nanometers to a meter, and the width can vary from tens of nanometers to a meter. The device can be covered by ionic liquid droplets.

EDL 게이팅은 가시광 주파수 영역에서 조차 셀렌화 비스무트의 광학적 반응을 일으킨다. 도 2B는 파장 400-900nm 영역에서의 EDL 게이팅이 있는 경우와 없는 경우의 셀렌화 비스무트의 투과 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 게이트 전압이 인가되지 않은 경우에, 장치의 광학적 투과도는 상대적으로 낮으며, 예를 들어 40% 정도 일 수 있다. 이와 반대로, 게이트 전압에 양의 전압을 인가하면, 모든 가시 파장 영역에서의 투과도가 매우 향상될 수 있다. 예를 들어, 게이트 전압이 1.5V 인가되었을 때, 투과도는 가시광의 대부분의 영역에서 70%까지 상승할 수 있으며, 이는 셀렌화 비스무트 나노플레이트가 보다 투명해진 것을 의미한다. 다른 한편으로는, 음의 게이트 전압을 인가하는 경우에는 셀렌화 비스무트 나노플레이트는 더 불투명해 질 수 있다. 게이트 전압을 -1.5 V 인가한 경우에, 가시광의 대부분의 영역에서 투과도는 20% 정도로 감소될 수 있다. 도 2C는 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 두께가 15nm정도 일 때, 이온액체 게이팅이 인가된 상태에서의 비스무트 나노플레이트의 광학적 투과도 이미지들을보여준다. 보여진 결과에 따르면, 이온액체 게이팅에 의해셀렌화 비스무트 나노플레이트의 광학적 변조 특성이 명백하게 도시된다. 나아가, 도 2B를 참조하면, 파장이 길어질수록 투과도는 향상된다. 이러한 경향성은 적외선 파장에 인접한 영역까지 계속되며, 흡수 엣지에 대한 분명한 증거가 된다. 이하로는, EDL 게이팅을 이용한 이금속 칼코게나이드 나노플레이트의 급격한 광학적 변조 특성의 메커니즘을 설명하기 위한 실험적 증거들을 소개한다. EDL gating causes the optical response of bismuth selenide even in the visible frequency range. Figure 2B is a diagram showing the transmission spectrum of bismuth selenide with and without EDL gating in the wavelength range of 400-900 nm. When no gate voltage is applied, the optical transparency of the device may be relatively low, for example on the order of 40%. On the contrary, if a positive voltage is applied to the gate voltage, the transmittance in all visible wavelength ranges can be greatly improved. For example, when a gate voltage of 1.5V is applied, the transmittance can increase to 70% in most areas of visible light, which means that the bismuth selenide nanoplates have become more transparent. On the other hand, when applying a negative gate voltage, the bismuth selenide nanoplates may become more opaque. When a gate voltage of -1.5 V is applied, the transmittance can be reduced to about 20% in most areas of visible light. Figure 2C shows optical transparency images of bismuth selenide nanoplates with ionic liquid gating applied when the thickness of the bismuth selenide nanoplates is about 15 nm. According to the results shown, the optical modulation properties of bismuth selenide nanoplates by ionic liquid gating are clearly demonstrated. Furthermore, referring to Figure 2B, as the wavelength becomes longer, the transmittance improves. This trend continues into the region adjacent to the infrared wavelengths, providing clear evidence of an absorption edge. Below, we introduce experimental evidence to explain the mechanism of the rapid optical modulation properties of bimetallic chalcogenide nanoplates using EDL gating.

여러 실시예에 따른 유리한 양상에 따르면, EDL 게이팅에 의해 유도되는 자유 운반자들은 물질의 전도성을 수정할 수 있으며, 그들의 광학적 특성도 크게 변화할 수 있다. 도 3A와 3B에 따르면, 적외선 부근 영역에서의 EDL 게이팅 하에서의 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 투과 스펙트럼과 반사 스펙트럼이 도시된다. 광학적 스펙트럼에서, 짧은 파장 (i.e. λ<2.5μm )흡수 엣지 컷-오프는 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 광학적 갭에 대응하며, 장파장 (i.e. λ>2.5μm) 엣지는 자유 운반자의 플라스마 공명 주파수에 대응한다. 실험 결과를 보다 잘 해석하기 위해, 투과도 값과 반사도 값이 도 4A와 도 4B에 도시된다. 도 4A와 도 4B를 참조하면, 투과도 값과 반사도 값이 고정된 파장 λ=1.5μm 과 λ=3.5μm 에 대해서 EDL 전압의 함수로 도시된다. 도 4A와 4B를 참조하면, 광학적 투과도 값과 반사도 값은 EDL 전압에 강하게 의존한다. 또한, 그래프는 짧은 파장과 긴 파장의 상반되는 양상도 보여준다. 예를 들어, 투과도는 짧은 파장 λ=1.5μm 에서 EDL 전압을 상승시킬 때는 상승하나, 긴 파장 λ=3.5μm 에서 EDL 전압을 상승시킬 때는 투과도 값이 감소하고, 이는 EDL 게이팅 변조에 의해서 두가지 광학적 프로세스가 있음을 지시한다. 즉, 투과도 값을 조절하는 변수는 EDL 게이팅 전압과 파장의 길이 두 가지 요소를 포함할 수 있다. According to an advantageous aspect according to various embodiments, the free carriers induced by EDL gating can modify the conductivity of the material and their optical properties can also change significantly. According to Figures 3A and 3B, the transmission spectrum and reflection spectrum of bismuth selenide nanoplates under EDL gating in the near-infrared region are shown. In the optical spectrum, the short wavelength ( ie λ<2.5μm) absorption edge cut-off corresponds to the optical gap of the bismuth selenide nanoplates, and the long wavelength ( ie λ>2.5μm) edge corresponds to the plasma resonance frequency of the free carriers. . To better interpret the experimental results, the transmittance and reflectance values are shown in Figures 4A and 4B. Referring to Figures 4A and 4B, the wavelength λ=1.5μm where the transmittance value and reflectance value are fixed. and λ=3.5μm is plotted as a function of EDL voltage. Referring to Figures 4A and 4B, the optical transmittance and reflectance values are strongly dependent on the EDL voltage. Additionally, the graph also shows the contrasting aspects of short and long wavelengths. For example, the transmittance increases when the EDL voltage is increased at a short wavelength λ = 1.5 μm, but the transmittance value decreases when the EDL voltage is increased at a long wavelength λ = 3.5 μm, which is caused by two optical processes by EDL gating modulation. Indicates that there is. That is, the variable that controls the transmittance value may include two factors: EDL gating voltage and wavelength length.

이러한 경향성은 드루드 모델로 설명될 수 있다. 드루드 모델은 전도성 물질의 광학적 반응과 그들의 전기적 상태 사이의 직접 연관성을 만든다. 드루드 모델에 따르면, 변조된 상대유전율 ε은 다음의 수학식으로 기술될 수 있다.This tendency can be explained by the Drud model. The Drude model creates a direct link between the optical response of conducting materials and their electrical state. According to the Drude model, the modulated relative permittivity ε can be described by the following equation.

… 수학식1 … Equation 1

여기서 ε 는 고주파수 유전체 상수이고, 는 자유 전자 플라즈마의 감쇄 상수이고, τ 는 전자들의 여기시간을 나타낸다. 플라즈마 공명 주파수는 으로 기술된다. 여기서 N 은 자유운반자 밀도를 나타내고, m* 은 전자의 유효 질량을 나타내고, n과 k는 물질의 반사와 흡수 스펙트럼을 각각 결정하는 광학 상수를 나타낸다. where ε is the high-frequency dielectric constant, is the attenuation constant of free electron plasma, and τ represents the excitation time of electrons. The plasma resonance frequency is It is described as Here, N represents the free carrier density, m* represents the effective mass of electrons, and n and k represent optical constants that determine the reflection and absorption spectra of the material, respectively.

수학식 1에 따른 드루드 모델은 주파수가 낮은 경우와 주파수가 높은 경우의 두가지 제한적인 경우를 생각해볼 수 있다. 낮은 주파수 영역 ()에서, 수학식 1의 에 따라 자유 운반자 항의 의존도가 커지며, 이는 낮은 주파수 영역에서 이 항이 주요 항임을 지칭하며, 낮은 주파수에서는 완벽한 반사장치로 기능할 수 있다. 그러나, 높은 주파수 영역 ()에서는 자유 운반자 기여의 의 항의 기여도가 줄어들며 다른 메커니즘이 더 중요해 질 수 있다. 따라서, 높은 주파수 영역()에서는 자유 운반자 기여도는 무시될 수 있고, 물질이 유전체 처럼 반응한다.The Drude model according to Equation 1 can be considered in two limited cases: a case where the frequency is low and a case where the frequency is high. low frequency range ( ), in Equation 1 According to the free carrier The dependence of the term increases, which means that in the low frequency range this term is the dominant term, and at low frequencies it can function as a perfect reflector. However, in the high frequency region ( ) of the free carrier contribution. As the contribution of the term decreases, other mechanisms may become more important. Therefore, in the high frequency region ( ), the free carrier contribution can be neglected and the material behaves like a dielectric.

본 실시예 케이스()에 있어서, 자유 운반자는 셀렌화 비스무트의 광학적 특성에 있어서 중요한 역할을 수행한다. 플라즈마 주파수는 물질이 금속에서 유전체의 광학적 반응으로 변화하는 특징적 주파수로, 상대적 투과도의 실수부가 사라지는 주파수에서 발생한다(). 플라즈마 주파수()는 자유 운반자 농도에 의존하며 유효 운반자들의 유효 질량에는 역의 관계로 의존한다. 물질의 플라즈마 엣지는 플라즈마 주파수 부근의 영역을 의미하는 것으로, 입사 파장을 증가함에 따라 반사도가 급격히 상승한다. 드루드 모델은 자유 운반자 밀도의 양의 EDL 변조로 인해 플라즈마 엣지가 더 짧은 파장 영역으로 이동되는 것을 보여준다.This example case ( ), free carriers play an important role in the optical properties of bismuth selenide. Plasma frequency is the characteristic frequency at which a material changes from a metal to a dielectric optical response, and occurs at a frequency where the real part of the relative transmittance disappears ( ). Plasma frequency ( ) depends on the free carrier concentration and inversely on the effective mass of the effective carriers. The plasma edge of a material refers to the area near the plasma frequency, and the reflectivity increases rapidly as the incident wavelength increases. The Drude model shows that the plasma edge is shifted to the shorter wavelength region due to positive EDL modulation of the free carrier density.

도 3A 내지 3C에 도시된 바와 같이, 반사와 투과도 스펙트럼은 양의 EDL 변조에 의해 유도되는 플라즈마 엣지의 상당한 단파장 이동을 보여준다. 이러한 행동 양상은 EDL에 의해 유도되는 물질의 내부에 자유 전자의 양이 증가되는 직접적인 증거를 제공하며, 이는 상술한 드루드 모델의 내용과도 일관된다. 드루드모델은 측정된 결과에 적용되었으며, 플라즈마 주파수의 값은 도 10에 도시된 장파장의 실험 결과와 잘 부합하는 결과가 도출된다. 플라즈마 주파수 값은 각 커브의 수학적 피팅으로부터 획득될 수 있다. 도 4를 참조하면, 플라즈마 주파수는 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 페르미 레벨의 진화에 의한 유효 질량 및 자유전자 밀도 변화로 인해 EDL 전압에 비선형적으로 의존한다. 예를 들어, 가 인가된 경우, 플라즈마 주파수는 에 도달하고, 피팅 파라미터로 등을 적용할 수 있다. 이에 대응되는 전자 운반자 밀도는 플라즈마 주파수로부터 계산될 수 있으며, 1020 cm--3의 매우 높은 자유 전자 농도가 된다. 이 레벨의 전자 농도 변조는 층구조를 가지는 이차원 물질과 함께하는 EDL 게이팅의 사용에서 오는 가장 큰 이점일 수 있다. 도 11을 참조하면, EDL 변조 하에서의 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 동적 광학 반응을 연구하기 위해, EDL 전압이 인가된 상태에서의 셀렌화 비스무트의 상대적 투과도가 계산된다. 플라즈마 주파수가 상승될 때 투과도의 허수부는 매우 커진다. 이것은 운반자 밀도가 매우 높을 때 드루드 모델에서 예측된바이다. 이는 물질의 내부에서 EDL에 의해 유도되는 자유 전자의 양이 증가하는 것을 확인해 준다.As shown in Figures 3A-3C, the reflection and transmission spectra show a significant short-wavelength shift of the plasma edge induced by positive EDL modulation. This behavior provides direct evidence that the amount of free electrons increases inside the material induced by EDL, which is consistent with the content of the Drude model described above. The Drude model was applied to the measured results, and the value of the plasma frequency was obtained in good agreement with the long-wavelength experimental results shown in FIG. 10. Plasma frequency values can be obtained from mathematical fitting of each curve. Referring to FIG. 4, the plasma frequency depends nonlinearly on the EDL voltage due to changes in effective mass and free electron density due to the evolution of the Fermi level of the bismuth selenide nanoplate. for example, When applied, the plasma frequency is , and with fitting parameters etc. can be applied. The corresponding electron carrier density can be calculated from the plasma frequency, resulting in a very high free electron concentration of 10 20 cm -3 . This level of electron concentration modulation may be the greatest benefit of using EDL gating with layered two-dimensional materials. Referring to Figure 11, in order to study the dynamic optical response of bismuth selenide nanoplates under EDL modulation, the relative transmittance of bismuth selenide under an applied EDL voltage is calculated. When the plasma frequency is raised, the imaginary part of the transmittance becomes very large. This is predicted by the Drood model when carrier densities are very high. This confirms that the amount of free electrons induced by EDL increases inside the material.

자유 운반자 밀도 변조의 두 번째 효과로는 흡수 엣지의 상당한 이동이 있다. 흡수 엣지는 물질의 기초 밴드갭을 넘어서는 광학 천이의 시작으로부터 기원하고, 이는 입사 파장의 증가에 따른 투과도의 상당한 증가에 따라 짧은 파장에서 명백하게 나타난다. 가시광대역에서 적외선 대역으로의 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 광학적 변조 양상은 상당히 변화되는 유효 광학 밴드갭에 의해 주로 야기되며, 이는 EDL 게이팅을 통한 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 큰 자유 전자 밀도 변조의 결과일 수 있다. 이러한 효과는 Burstein-Moss 이동라고 알려져있다. 전자 밀도가 증가함에 따라, 물질의 페르미레벨은 전도성 밴드로 들어가도록 상승하며, 밴드 엣지의 빈 상태는 무효해질 수 있다. 따라서, 전도성 밴드의 바닥으로의 광학적 천이는 덜 나타나며, 유효 밴드갭의 증가로 귀결될 수 있다.A secondary effect of free carrier density modulation is a significant shift of the absorption edge. The absorption edge originates from the onset of the optical transition beyond the fundamental bandgap of the material, which is evident at short wavelengths as a result of the significant increase in transmission with increasing incident wavelength. The optical modulation behavior of bismuth selenide nanoplates from the visible to the infrared band is mainly caused by the significantly changing effective optical bandgap, which may be a result of the large free electron density modulation of bismuth selenide nanoplates through EDL gating. there is. This effect is known as Burstein-Moss shift. As the electron density increases, the Fermi level of the material rises to enter the conduction band, and empty states at the band edges can become invalid. Therefore, the optical transition to the bottom of the conductive band is less pronounced, which may result in an increase in the effective bandgap.

EDL 전압과 페르미 레벨 이동 사이의 상관관계의 정량적 연구를 위해 셀렌화 비스무트의 전자적 구조는 밀도 함수 이론(DFT)에 의해 계산된다. EDL 게이팅 전압이 밀도 상태(DOS)를 전도성 밴드의 최소치 부근에서 상당한 수준으로 변화시키지 못한다는 가정하에서, 유도된 운반자 밀도로부터 실험적으로 페르미 레벨을 계산했다. 도 3C에 도시된바와 같이, EDL 게이팅 전압이 -1.5V 내지 1.5V로 변화함에 따라, 페르미 레벨 에너지가 0.34V만큼 증가하는 것으로 예측되었다. EDL 게이팅 전압이 인가되지 않았을 때, 페르미 레벨은 전도성 밴드의 내부에 위치하는데, 이는 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 n 형 도펀트로 도핑된 특성에 의한 것이다(도 3C의 중간 도면 참조). EDL 게이팅에 양의 전압이 인가되었을 때, 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 표면에 더 많은 전자들이 축적되며, 유효 밴드갭의 증가에 따라 흡수 영역의 청색 편이가 일어난다. EDL 게이팅에 인가되는 음의 전압은 자유 운반자 농도의 감소를 통해 페르미 레벨을 낮출 수 있으며, 흡수 엣지를 더 낮은 에너지로 쉬프트 시키며 더 낮은 에너지에서의 광학적 천이를 가능하게 한다. 이는 도 3a와 도 3b의 적외선 부근 영역에서의 실험적 스펙트럼에서 도시된 바와 같으며, 실험에서 관찰된 광학적 변조 양상에 대한 직접적인 근거를 제공할 수 있다. 밴드 구조의 변화에 따른 선의 개수는 서브밴드 포메이션으로 인한 것일 수 있다. 그러나, 종래의 연구결과가 확인한 바에 따르면, 서브밴드 포메이션으로 인한 밴드 구조의 변화는 너무 작아서 광학적 측정에 영향을 주기 어렵다고 한다(Yao et al). 게이트전압 함수에 따른 측정된 흡수 시작점은 도 4d에 도시된바와 같다. 투과도 최대 지점의 청색 천이는 자유 전자 운반자 계산에서 유도되는 유효 밴드갭의 증가와 일관된다. For a quantitative study of the correlation between EDL voltage and Fermi level shift, the electronic structure of bismuth selenide is calculated by density functional theory (DFT). Under the assumption that the EDL gating voltage does not significantly change the density of states (DOS) near the minimum of the conduction band, we calculated the Fermi level experimentally from the induced carrier density. As shown in Figure 3C, as the EDL gating voltage changes from -1.5 V to 1.5 V, the Fermi level energy is predicted to increase by 0.34 V. When the EDL gating voltage is not applied, the Fermi level is located inside the conduction band, which is due to the n-type dopant-doped nature of the bismuth selenide nanoplate (see middle diagram of Figure 3C). When a positive voltage is applied to the EDL gating, more electrons accumulate on the surface of the bismuth selenide nanoplate, and a blue shift of the absorption region occurs as the effective band gap increases. The negative voltage applied to the EDL gating can lower the Fermi level through a decrease in free carrier concentration, shift the absorption edge to lower energy, and enable optical transition at lower energy. This is as shown in the experimental spectra in the near-infrared region of Figures 3a and 3b, and can provide a direct basis for the optical modulation pattern observed in the experiment. The number of lines depending on the change in band structure may be due to subband formation. However, according to previous research results, the change in band structure due to subband formation is too small to affect optical measurements (Yao et al). The measured absorption starting point as a function of gate voltage is shown in Figure 4d. The blue shift at the transmittance maximum is consistent with the increase in effective bandgap derived from free electron carrier calculations.

EDL 테크닉의 특성을 더 잘 나타내기 위해, 다른 종류의 전이금속 다이칼코게나이드 물질 예를 들어, MoSe2 를 이용한 유사한 게이팅 실험을 수행하였다. 광학적 특성의 동적 튜닝은 유사한 게이팅 전압을 인가한 MoSe2 플레이크에서도 마찬가지로 관찰된다. 도 5a 와 도 5b는 각각 양의 게이트 전압과 음의 게이트 전압을 인가한 경우, 적외선 영역 부근에서의 MoSe2 플레이크(두께 30nm 이하)의 변조된 투과도 스펙트럼을 도시한다. 도 5C를 참조하면, 셀렌화 비스무트 나노플레이트와 달리, MoSe2 의 다층 구조에서의 Burstein-Moss 이동은 정공(원자가밴드)과 전자(전도성 밴드) 모두에 대해서 일어난다. 도 5c를 참조하면 페르미레벨은 n형 도펀트로 저도핑된 MoSe2 플레이크의 밴드갭에 위치할 수 있다(도 5c의 중단). 또한 양의 게이트 전압이 인가되는 경우에는 페르미 레벨이 전도성 밴드에 위치한다(도 5c의 상단). 다른 한편, 음의 게이트 전압이 인가되는 경우에는 정공이 MoSe2 플레이크에 축적된다. 이 경우, 페르미 레벨은 원자가 밴드(VB)에 놓여질 수 있다(도 5c의 하단). EDL 게이팅에 의해 유도되는 증가된 자유 전자 밀도는 페르미 레벨을 전도성 밴드로 움직이는 결과를 가져온다. EDL 게이팅에 의해 유도되는 증가된 자유 정공 밀도는 페르미 레벨을 원자가 밴드로 움직이는 결과를 가져온다. 양 경우, 유효성 밴드갭은 모두 상승되며, 이는 셀렌화 비스무트의 양상과는 대조된다. 게이팅은 전도성 밴드나 원자가 밴드 양쪽에서의 Burstein-Moss 이동이 연관되는 광학적 변화의 변화를 유도하며, 이는 대칭적 양극성 양상(symmetric ambipolar behavior)를 보여준다. 관측된 결과는 EDL 게이팅이 어떠한 화학적 반응 없이도 층구조를 가지는 이차원 물질 시스템의 자유 운반자 밀도를 매우 큰 값으로 증가시키는데 이용될 수 있음을 나타낸다. EDL 게이트 전압이 인가된 조건하에 장파장에서의 전자 플라즈마 엣지와 단파장에서의 흡수 엣지의 동시적 이동으로 인해, 셀렌화 비스무트와 MoSe2 모두 적외선에서 가시광 영역까지 조절 가능한 투명 스펙트럼 윈도우의 변조 가능 광학적 특성을 나타낸다. 일반적 화학적 도핑에 비해 EDL 게이팅은 페르미 레벨의 이동이 더 크다는 면에서, 이 테크닉은 보다 넓은 파장 영역에서의 강한 광학적 변조를 만들어내며 이는 가시광 파장 대를 포함할 수 있음으로써, 광학적 특성의 변조가능을 요구로 하는 어플리케이션에서 활용될 수 있다. 그러한 양상은 다른 이온 액체를 이용해서도 나타날 수 있다.To better characterize the EDL technique, similar gating experiments were performed using other transition metal dichalcogenide materials, such as MoSe 2 . Dynamic tuning of optical properties was achieved by applying similar gating voltages to MoSe 2 The same is observed in flakes. Figures 5a and 5b show MoSe 2 near the infrared region when positive and negative gate voltages are applied, respectively. The modulated transmittance spectrum of flakes (thickness less than 30 nm) is shown. Referring to Figure 5C, unlike bismuth selenide nanoplates, MoSe 2 The Burstein-Moss shift in the multilayer structure occurs for both holes (valence band) and electrons (conductivity band). Referring to Figure 5c, the Fermi level is MoSe 2 lightly doped with n-type dopant. It can be located in the bandgap of the flake (middle part of Figure 5c). Additionally, when a positive gate voltage is applied, the Fermi level is located in the conduction band (top of Figure 5c). On the other hand, when a negative gate voltage is applied, holes are transferred to MoSe 2 accumulates in flakes. In this case, the Fermi level can lie in the valence band (VB) (bottom of Figure 5c). The increased free electron density induced by EDL gating results in a shift of the Fermi level into the conduction band. The increased free hole density induced by EDL gating results in a shift of the Fermi level into the valence band. In both cases, the effective band gaps are both raised, which contrasts with the behavior of bismuth selenide. Gating induces changes in optical changes associated with Burstein-Moss shifts in both the conduction band and the valence band, which exhibit symmetric ambipolar behavior. The observed results indicate that EDL gating can be used to increase the free carrier density of layered two-dimensional material systems to very large values without any chemical reaction. Due to the simultaneous movement of the electron plasma edge at long wavelengths and the absorption edge at short wavelengths under the condition of applied EDL gate voltage, both bismuth selenide and MoSe 2 exhibit tunable optical properties with a tunable transparent spectral window from the infrared to the visible region. indicates. Compared to general chemical doping, EDL gating produces a larger shift in the Fermi level, and this technique produces strong optical modulation over a wider wavelength range, which can include the visible wavelength range, enabling modulation of optical properties. It can be used in applications that require it. Such behavior can also occur using other ionic liquids.

도 6a에서 도시된바와 같이, 상술한 광학적 효과를 야기하는 전기 상태의 변화는 운송 특성을 통해 확인될 수 있다. 예를 들어 게이트전압은 상온에서 EDL 게이팅이 셀렌화 비스무트 디바이스에 인가되는 경우에 소스-드레인 전류의 함수로 나타날 수 있다. 게이트 전압을 증가시킴에 따라, 얇은 필름의 상부에 양이온이 유도되며, 셀렌화 비스무트 표면에 많은 양의 전자가 유도됨으로써, 전자 전도성의 증가에 따라 소스-드레인 전류의 세기가 증가한다(도 6a 참조). 상대적으로, 음의 게이트 전압이 인가된 경우에는 나노플레이트의 표면에서 전자들은 고갈되며, 이는 전자 농도가 감소함으로써 소스-드레인 전류의 세기가 감소하는 것을 의미할 수 있다. 전하 축적은 표면에서의 전기장을 형성하며, 이는 페르미 레벨을 변조하는데 이용되거나, 셀렌화 비스무트 샘플의 표면에서의 표면-전자-축적 층의 전자 밀도를 조절하는데 이용될 수 있다. 도 6B는 상온에서의 EDL 게이팅 전압 인가하의 MoSe2 플레이크의 전송 특성을 도시한다. 상온에서 관찰되는 양극성 특성은 n형 도펀트로 저도핑된 MoSe2 플레이크의 특성과 일관된다. 도 12를 참조하면, 각 샘플들은 유사한 전송 특성을 지니는것으로 측정됫으며, 이는 높은 재현성을 나타낸다.As shown in FIG. 6A, the change in electrical state that causes the optical effect described above can be confirmed through transport characteristics. For example, the gate voltage can appear as a function of source-drain current when EDL gating is applied to a bismuth selenide device at room temperature. As the gate voltage is increased, positive ions are induced on the top of the thin film, and a large amount of electrons are induced on the bismuth selenide surface, thereby increasing the intensity of the source-drain current with an increase in electronic conductivity (see Figure 6a). ). Relatively, when a negative gate voltage is applied, electrons are depleted from the surface of the nanoplate, which may mean that the intensity of the source-drain current decreases as the electron concentration decreases. The charge accumulation creates an electric field at the surface, which can be used to modulate the Fermi level or the electron density of the surface-electron-accumulation layer at the surface of the bismuth selenide sample. Figure 6B shows MoSe 2 under applied EDL gating voltage at room temperature. The transport properties of the flakes are shown. The bipolar properties observed at room temperature are due to MoSe 2 lightly doped with n-type dopant. Consistent with the characteristics of flakes. Referring to Figure 12, each sample was measured to have similar transmission characteristics, which indicates high reproducibility.

아주 얇은 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 동적 광학 변조가 관쵤된바와 같이, 나노플레이트가 10nm 만큼 얇거나 그보다 작을 때 매우 큰 동적 투과도 및 반사도의 변화가 성취될 수 있다. 이러한 급격한 광학적 변화는 EDL 게이팅을 이용한 셀렌화 비스무트 샘플의 페르미 에너지와 전기적 상태의 변조로 인한 유효 광학적 밴드갭의 확장 ‹š문일 수 있다. 유사한 층구조를 가지는 이차원 물질, MoSe2 에서의 동적 광학적 특성 변화도 확인되었다. 이들 사이의 게이팅 전압 의존성의 미묘한 차이점은 두 물질의 페르미 레벨의 위치의 차이와 일관된다. 플라즈마 엣지와 흡수 엣지의 동시적 변조는 전기적으로 컨트롤 가능한 스마트 윈도우나 넓은 스펙트럼 영역에서의 광학적 변조기로서의 잠재적 어플리케이션을 가능케할 수 있다. 두 개의 게이트를 가지는 EDL-FET 구조는 매우 작은 조절 영역에서 스위칭 속도를 향상시키는데 이용될 수 있다.As far as dynamic optical modulation of very thin bismuth selenide nanoplates is concerned, very large dynamic changes in transmittance and reflectance can be achieved when the nanoplates are as thin as 10 nm or less. This rapid optical change may be due to expansion of the effective optical bandgap due to modulation of the Fermi energy and electrical state of the bismuth selenide sample using EDL gating. Changes in dynamic optical properties were also confirmed in MoSe 2 , a two-dimensional material with a similar layer structure. The subtle differences in the gating voltage dependence between them are consistent with the differences in the location of the Fermi level in the two materials. Simultaneous modulation of the plasma edge and absorption edge could enable potential applications as electrically controllable smart windows or optical modulators in a wide spectral range. The two-gate EDL-FET structure can be used to improve switching speed in a very small regulation region.

[예시 방법들] [Example methods]

[[ 셀렌화selenization 비스무트 나노플레이트의 of bismuth nanoplates 용매열융합과Solvothermal Fusion Department 디바이스device 공정] process]

동적 셀렌화 비스무트 나노플레이트는 용매열융합을 통해 준비될 수 있다. [참조 e.g., Kong, D.S., Koski, K.J., Cha, J.J., Hong, S.S. & Cui, Y. Ambipolar Field Effect in Sb-Doped Bi2Se3 Nanoplates by Solvothermal Synthesis. Nano Lett 13, 632-636 (2013).] 금속 기반의 셀레니움 파우더와 금속 기반의 Bi2O3 파우더를 에틸 글리콜에 용해시킨다. 이후, EDTA 파우더와 순수한 PVP를 첨가한다. 그 다음 시료를 초음파처리한후, 오토클레이브(가압처리기)에서 봉인한다. 결과적으로 오토클레이브는 오븐에서 200°C 동안 24시간 가량 구워지며, 점차 식혀 상온까지 온도를 내린다. 필터링 과정과 에탄올 세척 과정을 수차례 거친다. 그리고 90°C 조건의 진공에서 말린다. 결과물인 검은 파우더를 현탁(suspension)하기 위해, 피펫을 이용하여 유리 기판 상에 마련한다. 나노플레이트의 평균적인 두께와 수평적 크기는 EDTA의 농도와 온도에 의해 수정됨으로써 최적화될 수 있다. 다층구조의 MoSe2 플레이크는 기계적 박리(mechanical exfoliation) 과정에 의해 준비될 수 있다. 전기 디바이스는 광학적 리소그래피 과정을 통해 전극을 패턴하도록 만들어질 수 있다. 나노플레이트는 유기 잔여물이나 표면 산화물이 없도록 반응성 이온 에칭을 가할 수 있다. EBM(E-beam evaporation)을 Cr/Au를 5nm/100nm조건으로 하여 소스전극, 드레인전극, 게이트전극을 형성할 수 있다. 결과적으로 샘플은 와이어 본딩을 이용하여 칩 홀더(chip holder)에 부착될 수 있다. 디바이스의 공정은 도 13에 도시된바와 같다. 나노플레이트의 두께는 AFM으로 측정될 수 있으며, 육각형 샘플의 경우 8nm ~ 22nm까지의 두께를 가질 수 있다. 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 화학적 특성과 복수의 MoSe2 플레이크의 품질은 라만 스펙트럼에 의해 확인될 수 있으며, 이는 도 8에 도시된 바와 같다. 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 결정성은 전자 현미경 기법을 통해 투과도를 체크하여 확인할 수 있으며, 이는 도 9에 도시된 바와 같다.Dynamic bismuth selenide nanoplates can be prepared via solvothermal fusion. [Reference eg, Kong, DS, Koski, KJ, Cha, JJ, Hong, SS & Cui, Y. Ambipolar Field Effect in Sb-Doped Bi2Se3 Nanoplates by Solvothermal Synthesis. Nano Lett 13, 632-636 (2013).] Metal-based selenium powder and metal-based Bi 2 O 3 Dissolve the powder in ethyl glycol. Afterwards, EDTA powder and pure PVP are added. Next, the sample is sonicated and sealed in an autoclave (pressure processor). As a result, the autoclave is baked in an oven at 200°C for about 24 hours, and then gradually cooled down to room temperature. It goes through a filtering process and ethanol washing process several times. Then, it is dried in a vacuum at 90°C. To suspend the resulting black powder, it is prepared on a glass substrate using a pipette. The average thickness and horizontal size of the nanoplates can be optimized by modifying the EDTA concentration and temperature. MoSe 2 flakes with a multilayer structure can be prepared by a mechanical exfoliation process. Electrical devices can be made by patterning electrodes through optical lithography processes. The nanoplates can be reactive ion etched to leave no organic residues or surface oxides. EBM (E-beam evaporation) can be used to form the source electrode, drain electrode, and gate electrode using Cr/Au at 5nm/100nm conditions. As a result, the sample can be attached to a chip holder using wire bonding. The device process is as shown in FIG. 13. The thickness of the nanoplate can be measured by AFM, and for hexagonal samples, the thickness can range from 8 nm to 22 nm. The chemical properties of the bismuth selenide nanoplates and the quality of the plurality of MoSe 2 flakes can be confirmed by Raman spectra, as shown in FIG. 8. The crystallinity of bismuth selenide nanoplates can be confirmed by checking the transmittance using an electron microscope technique, as shown in FIG. 9.

[광학적 [Optical 투과,반사Transmission, reflection 그리고 전기 전송 측정] and electrical transmission measurements]

셀렌화 비스무트 나노플레이트는 유리 기판에 drop casting으로 형성될 수 있다. 모든 전기 특성 측정은 상온에서 공기 조건하의 통상의 프로브 스테이션에서 수행할 수 있다. 전기적 측정의 전에 셀렌화 비스무트 나노플레이트와 복수의 MoSe2 플레이크의 두께를 측정하기 위해 AFM 측정을 수행할 수 있다. EDL 게이팅 전압 하에서 측정한 투과도 광학적 이미지 및 가시 광선 영역의 스펙트럼은 Nikon Eclipse CI-L 이나 Nikon confocal C1 현미경으로 각각 촬영한 것이다. 전압의 인가는 source meter (Keithley-2400)에 의해 인가되었다. 적외선 부근 영역에서의 반사도 및 투과도 스펙트럼은 상온조건에서 Bruker Hyperion 2000 및 IFS-125/HR Fourier transform infrared spectrometer 으로 측정되었다. 투명 나이프-엣지 조리개는 빔 사이즈를 조절하도록 이용되었으며, 모든 측정된 투과도 및 반사도 광은 나노플레이트 샘플에서 측정된 것으로 기판 부근에서 측정된 것이 아니다. 모든 적외선 반사와 투과도 결과는 순수 금의 반사와 얇은 유리 기판의 투과도 기준으로 정규화 되었다.Bismuth selenide nanoplates can be formed by drop casting on a glass substrate. All electrical property measurements can be performed at a conventional probe station under air conditions at room temperature. AFM measurements can be performed to measure the thickness of the bismuth selenide nanoplates and the plurality of MoSe 2 flakes prior to electrical measurements. Transmittance optical images and visible light spectrum measured under EDL gating voltage were taken with a Nikon Eclipse CI-L or Nikon confocal C1 microscope, respectively. Voltage was applied by a source meter (Keithley-2400). Reflectance and transmittance spectra in the near-infrared region were measured with a Bruker Hyperion 2000 and IFS-125/HR Fourier transform infrared spectrometer at room temperature. A transparent knife-edge aperture was used to adjust the beam size, and all measured transmittance and reflectance light was measured on the nanoplate sample and not near the substrate. All infrared reflectance and transmittance results were normalized to the reflectance of pure gold and the transmittance of a thin glass substrate.

[물질 중합과 [Substance polymerization and 디바이스device 공정] process]

셀렌화 비스무트 단일 결정은 용매열 융합 공정으로 생성될 수 있으며, 자세한 공정은 전술한 바와 같다. 다른 다중층 플레이크 구조는 기계적 박리 공정으로 생성될 수 있다. 실험은 층구조를 형성하는 나노물질 구조에서 형성되었다. 디바이스의 제조 과정은 종래의 광학 리소그래피, EBM 테크닉 공정 등으로 이루어 질 수 있다. 이러한 공정은 마이크로 미터 수준의 정밀도를 가질 수 있다. 다수 샘플의 두께는 광학적 또는 AFM 방식으로 측정될 수 있다. 다른 타입의 층으로 형성된 플레이크 또는 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 디바이스 구성은 통상 50 마이크로미터 폭을 가지며 30 마이크로미터 길이를 가질 수 있다. 금 전극의 형성 전에 반응성 이온 에칭이 수행될 수 있다. 전극은 EBM 공정으로 형성되며, 패턴은 포토리소그래피 공정에 의해 이루어질 수 있다.Bismuth selenide single crystals can be produced by a solvothermal fusion process, and the detailed process is as described above. Other multilayer flake structures can be produced by mechanical exfoliation processes. The experiment was conducted on a nanomaterial structure forming a layered structure. The device manufacturing process may be performed using conventional optical lithography or EBM technique processes. These processes can have micrometer-level precision. The thickness of multiple samples can be measured optically or AFM. Device configurations of flakes or bismuth selenide nanoplates formed from different types of layers are typically 50 micrometers wide and can be 30 micrometers long. Reactive ion etching may be performed prior to formation of the gold electrode. The electrode is formed by an EBM process, and the pattern can be formed by a photolithography process.

도 7은 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 AFM 이미지를 나타낸다. 도 7A 및 7B의 좌측 이미지는 두께가 12nm인 나노플레이트와 두께가 22nm 인 나노플레이트의 AFM 이미지다. 도 7A 및 7B의 우측 이미지는 두께가 12nm인 나노플레이트와 두께가 22nm 인 나노플레이트의 단면의 두께를 나타내는 그래프이다.Figure 7 shows an AFM image of bismuth selenide nanoplates. The left images of Figures 7A and 7B are AFM images of a nanoplate with a thickness of 12 nm and a nanoplate with a thickness of 22 nm. The right images of FIGS. 7A and 7B are graphs showing the cross-sectional thickness of a nanoplate with a thickness of 12 nm and a nanoplate with a thickness of 22 nm.

[라만 스펙트럼을 이용한 물질의 식별] [Identification of materials using Raman spectrum]

층구조를 가지는 이차원 물질과 관련된 물질들은 473 나노미터의 레이저 파장으로 스캐터링 특성을 살피는 마이크로 라만 스펙트로미터를 측정되었다. 여러 최대치들로 구성된 전형적인 라만 스펙트럼이 도 8와 같이 보이며, 이는 셀렌화 비스무트 나노플레이트 및 다른 층구조를 가지는 이차원 물질로 형성된 층 구조들의 라만 스펙트럼의 최대치 위치와 잘 부합된다.Materials related to two-dimensional materials with a layered structure were measured using a micro Raman spectrometer, which examines scattering characteristics with a laser wavelength of 473 nanometers. A typical Raman spectrum consisting of several maxima is shown in Figure 8, which matches well with the maximum position of the Raman spectrum of layered structures formed of bismuth selenide nanoplates and other two-dimensional materials with layered structures.

도 8A 및 도 8B는 라만 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 8A는 10-450 cm-1 영역에서의 FQLs Bi2Se3 나노플레이트의 라만 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 8B는 10-450 cm-1 영역에서의 FQLs MoSe2의 라만 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 해당 최대치 위치들은 Bi2Se3 나노플레이트 및 다른 층구조를 가지는 이차원 물질들의 알려진 라만 스펙트럼과 서로 부합한다.Figures 8A and 8B are graphs showing Raman spectra. Figure 8A is a graph showing the Raman spectrum of the FQLs Bi2Se3 nanoplate in the 10-450 cm -1 region. Figure 8B is a graph showing the Raman spectrum of FQLs MoSe 2 in the 10-450 cm -1 region. The positions of the maximum correspond to known Raman spectra of Bi2Se3 nanoplates and other two-dimensional materials with layered structures.

[ [ 셀렌화selenization 비스무트 나노플레이트의 결정 구조의 특성] Characteristics of the crystal structure of bismuth nanoplates]

셀렌화 비스무트 나노플레이트의 결정성을 확인하기 위해서는, 투과도 전자 현미경 검사를 수행할 수 있다. 도 9a를 참조하면, 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 저 확대율 TEM 이미지가 도시된다. 도 9b를 참조하면, 셀렌화 비스무트 나노플레이트의 단일 결정 특성이 도시된다.To confirm the crystallinity of bismuth selenide nanoplates, transmission electron microscopy can be performed. Referring to Figure 9A, a low magnification TEM image of bismuth selenide nanoplates is shown. Referring to Figure 9b, the single crystal properties of bismuth selenide nanoplates are shown.

[복수의 장치와 관련된 일관된 결과][Consistent results involving multiple devices]

이온 액체 게이팅이 인가된 셀렌화 비스무트 나노플레이트에서의 광학적 변조의 특성이 복수의 장치들에서도 일관되는 것을 확인하기 위하여, 이온 액체를 [EMIM]-[BF4]로 대체한 비슷한 크기의 두 번째 소자에서도 유사한 광학 투과 변조 특성이 도 10 a 에서와 같이 관찰된다. 이와 같이 새로운 이온 액체를 이용한 두 번째 소자의 광학적 변조는 앞서 [DEME]-[TFSI]로 이용한 장치와 거의 유사한 광학 특성을 가짐을 보인다. 다소의 차이점은 흡수 최대치가 파장 2.7- 3.3 μm 영역에서 나타난다는 점이며, 이는 새로운 이온 액체의 특징이다. 도 10b를 참조하면, [EMIM]-[BF4] 이온 액체를 이용한 장치의 두 파장(λ=1.5μm 과 λ =3.5μm) 에서의 투과도와 이온 액체 게이팅 전압과의 관계가 도시되된다. To confirm that the optical modulation characteristics in bismuth selenide nanoplates with ionic liquid gating were consistent across multiple devices, a second device of similar size was used in which the ionic liquid was replaced by [EMIM]-[BF4]. Similar optical transmission modulation characteristics are observed as in Figure 10a. In this way, the optical modulation of the second device using the new ionic liquid shows that it has almost similar optical characteristics to the device previously used as [DEME]-[TFSI]. A slight difference is that the absorption maximum occurs in the wavelength region of 2.7-3.3 μm, which is characteristic of the new ionic liquid. Referring to Figure 10b, the relationship between the transmittance and ionic liquid gating voltage at two wavelengths (λ = 1.5 μm and λ = 3.5 μm) of a device using [EMIM]-[BF4] ionic liquid is shown.

도 12A는 ([DEME]-[TFSI]) 이온액체 게이팅 효과를 이용한 Bi2Se3 나노플레이트의 의 운송 특성(IDS-VG)을 나타내는 도면이다. 도 12B는 ([EMIM]-[BF4]) 이온액체 게이팅 효과를 이용한 Bi2Se3 나노플레이트의 의 운송 특성(IDS-VG)을 나타내는 도면이다.Figure 12A is a diagram showing the transport characteristics (I DS -V G ) of Bi2Se3 nanoplates using the ([DEME]-[TFSI]) ionic liquid gating effect. Figure 12B is a diagram showing the transport characteristics (IDS-VG) of Bi2Se3 nanoplates using the ([EMIM]-[BF4]) ionic liquid gating effect.

도 10A 이온 액체 게이팅 전압이 음의 값에서 양의 값으로 증가할 때의 Bi2Se3 나노플레이트의 투과도 스펙트럼을 보여준다. 그 결과는 앞서 설명된 내용과 유사한 형태를 가지며, 단파장 대에서의 흡수 엣지 및 장파장 대에서의 플라즈마 엣지를 보여준다. 도 10B는 단파장(1.5μm) 및 장파장(3.5μm)에서의 게이트 전압에 따른 투과도 특성 변화를 보여준다.Figure 10A shows the transmission spectrum of Bi2Se3 nanoplates as the ionic liquid gating voltage increases from negative to positive values. The result has a similar form to that described previously and shows an absorption edge in the short wavelength band and a plasma edge in the long wavelength band. Figure 10B shows the change in transmittance characteristics according to the gate voltage at short wavelength (1.5 μm) and long wavelength (3.5 μm).

도 11A 및 도 11B는 각각 양 및 음의 이온 액체 게이팅 전압을 인가할 때의 MoSe2 플레이크의 반사도 스펙트럼을 보여준다. 근적외선 영역에서의 변조 스펙트럼은 층상 Bi2Se3 나노플레이트의 양태와 유사함을 보인다.Figures 11A and 11B show reflectance spectra of MoSe2 flakes upon applying positive and negative ionic liquid gating voltages, respectively. The modulation spectrum in the near-infrared region appears similar to that of layered Bi2Se3 nanoplates.

도 12A는 ([DEME]-[TFSI]) 이온액체 게이트 효과를 이용한 Bi2Se3 나노플레이트의 의 운송 특성(IDS-VG)을 나타내는 도면이다. 도 12B는 ([EMIM]-[BF4]) 이온액체 게이트 효과를 이용한 Bi2Se3 나노플레이트의 의 운송 특성(IDS-VG)을 나타내는 도면이다. Figure 12A is a diagram showing the transport characteristics (I DS -V G ) of Bi2Se3 nanoplates using the ([DEME]-[TFSI]) ionic liquid gate effect. Figure 12B is a diagram showing the transport characteristics (I DS -V G ) of Bi2Se3 nanoplates using the ([EMIM]-[BF4]) ionic liquid gate effect.

[예시적 [Example 실시예들Examples ]]

[광전자 장치의 일 [Optoelectronic device work 실시예Example ]]

도 14 내지 도 17은 일 실시예에 따른 광 전자 장치(100)와 관련된 내용을 서술한다. 14 to 17 describe content related to the optoelectronic device 100 according to an embodiment.

도 14는 일 실시예에 따른 광 전자 장치(100)의 개략적인 평면도이다. 도 15는 도 14에 따른 광 전자 장치(100)를 A-A'을 따라 자른 개략적인 단면도이다. 도 16은 도 14에 따른 광 전자 장치(100)의 제 1 전극(121)에 양의 전압을 인가한 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 17은 도 14에 따른 광 전자 장치(100)의 제 1 전극(121)에 음의 전압을 인가한 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.Figure 14 is a schematic plan view of an optoelectronic device 100 according to one embodiment. FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of the optoelectronic device 100 according to FIG. 14 taken along line A-A'. FIG. 16 is a cross-sectional view schematically showing a positive voltage applied to the first electrode 121 of the optoelectronic device 100 according to FIG. 14. FIG. 17 is a cross-sectional view schematically showing a negative voltage applied to the first electrode 121 of the optoelectronic device 100 according to FIG. 14.

도 14를 참조하면, 광전자 장치(100)는 기판(110), 전극부(120), 활성층(130), 이온액체(140) 및 전력원(150)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 14 , the optoelectronic device 100 may include a substrate 110, an electrode unit 120, an active layer 130, an ionic liquid 140, and a power source 150.

기판(110)은 가시광선 및 적외선 영역의 광에 대하여 투명하거나 반투명한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 유리(glass), 사파이어(sapphire), 석영(quartz), 산화 실리콘(silicon dioxide), 질화 실리콘(silicon nitride), 질화 갈륨(gallium nitride), 플라스틱(plastics), 질화 보론(boron nitride), ITO, AZO, IZO, FTO, CdO, CdZnO, CdNiO, PEDOT, 그래핀(graphene) 중 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다.The substrate 110 may be formed of a material that is transparent or translucent to light in the visible and infrared regions. For example, the substrate 110 is made of glass, sapphire, quartz, silicon dioxide, silicon nitride, gallium nitride, plastics, It may be formed of at least one material selected from boron nitride, ITO, AZO, IZO, FTO, CdO, CdZnO, CdNiO, PEDOT, and graphene.

전극부(120)는 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122)을 포함할 수 있다. 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122) 서로 이격되도록 마련될 수 있다. 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122)은 전압이 인가되도록 전력원(150)과 연결될 수 있다. 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122)은 기판(110) 상의 동일 평면 상에 마련될 수 있다.The electrode unit 120 may include a first electrode 121 and a second electrode 122. The first electrode 121 and the second electrode 122 may be provided to be spaced apart from each other. The first electrode 121 and the second electrode 122 may be connected to the power source 150 to apply voltage. The first electrode 121 and the second electrode 122 may be provided on the same plane on the substrate 110.

활성층(130)은 제 1 전극(121)과 제 2 전극(122)의 사이에 마련될 수 있다. 제 1 전극(121)은 활성층(130)과 전기적으로 연결되지 않도록 활성층(130)과 소정의 거리만큼 이격되도록 마련될 수 있다. 제 2 전극(122)은 활성층(130)과 전기적으로 연결되도록 활성층(130)과 접할 수 있다. 광전자 장치(100)을 수직방향에서 내려다볼 때, 활성층(130)은 전극부(120)에 의해 가려지지 않을 수 있다. 이로 인해, 활성층(130)을 투과하는 광이 전극부(120)에 의해 산란되는 것을 방지할 수 있다. The active layer 130 may be provided between the first electrode 121 and the second electrode 122. The first electrode 121 may be provided to be spaced apart from the active layer 130 by a predetermined distance so as not to be electrically connected to the active layer 130 . The second electrode 122 may be in contact with the active layer 130 to be electrically connected to the active layer 130. When looking down at the optoelectronic device 100 in a vertical direction, the active layer 130 may not be obscured by the electrode portion 120. Because of this, light passing through the active layer 130 can be prevented from being scattered by the electrode unit 120.

활성층(130)은 칼코게나이드 나노플레이트를 포함할 수 있다. 칼코게나이드 나노플레이트는 Bi2Se3, MoSe2, GaSe, MoS2, WSe2, WS2, Bi2Te3, ZnSe, InSe, In2Se3, ReS2 중 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다. 활성층(130)이 셀렌화 비스무트 나노플레이트(Bi2Se3)를 포함하는 경우의 광전자 장치(100)의 광학적 변조 특성 및 변조 양상은 이미 도 2A 내지 2C, 도 3A 내지 3C, 4A 내지 4D에서 전술한바와 같으므로 자세한 내용은 생략한다. 활성층(130)이 셀렌화 몰리브덴(MoSe2)를 포함하는 경우의 광전자 장치(100)의 광학적 변조 특성 및 변조 양상은 이미 도 4A 내지 4D, 도 5A 내지 5C에서 전술한바와 같으므로 자세한 내용은 생략한다.The active layer 130 may include chalcogenide nanoplates. Chalcogenide nanoplates can be formed of at least one material selected from the group consisting of Bi 2 Se 3 , MoSe 2 , GaSe, MoS 2 , WSe 2 , WS 2 , Bi 2 Te 3 , ZnSe, InSe, In 2 Se 3 and ReS 2 there is. The optical modulation characteristics and modulation patterns of the optoelectronic device 100 when the active layer 130 includes bismuth selenide nanoplates (Bi 2 Se 3 ) have already been described in FIGS. 2A to 2C, 3A to 3C, and 4A to 4D. Since it is the same as before, detailed information will be omitted. The optical modulation characteristics and modulation patterns of the optoelectronic device 100 when the active layer 130 includes molybdenum selenide (MoSe 2 ) are the same as those described above in FIGS. 4A to 4D and 5A to 5C, so detailed information is omitted. do.

활성층(130)은 층구조를 가지는 2차원 물질로 형성될 수 있다. 2차원 물질은 흑린(black phosphorus), ZnO, GaAs, Ge 중 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다.The active layer 130 may be formed of a two-dimensional material with a layered structure. The two-dimensional material may be formed of at least one material selected from black phosphorus, ZnO, GaAs, and Ge.

활성층(130)은 사각형, 원형, 삼각형, 타원형, 직사각형, 육각형, 다각형 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다. 활성층(130)의 형상은 광전자 장치(100)의 외관 설계에 따라 다르게 정해질 수 있으며 특정한 실시예에 한정되는 것은 아니다.The active layer 130 may have one of the following shapes: square, circular, triangular, oval, rectangular, hexagonal, or polygonal. The shape of the active layer 130 may be determined differently depending on the exterior design of the optoelectronic device 100 and is not limited to a specific embodiment.

이온 액체(140)는 활성층(130)을 덮을 수 있다. 이온 액체(140)는 [DEME][TFSI], [DEME][BF4], [EMIM]-[BF4], [BMIM][BF4], [BMIM][TFSI], [TMPA][BF4], [DEME][FSI], [EMIM][FSI] 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이온 액체(140)는 일종의 게이트 유전체의 역할을 수행하는 것으로, 종래의 산화 유전체에 비교할 때 낮은 전력에서 구동하며, 전하운반자의 밀도 조절이 큰 범위에서 가능하다. 게이트 전압이 제 1 전극(121)에 인가되면, 제 1 전극(121)과 이온 액체(140)의 고체/액체 계면에서 전하가 유도되며, 활성층(130)과 이온 액체(140)의 고체/액체 계면에서 전하가 유도된다. 따라서, 전하가 두 개의 고체/액체 계면에서 유도되며 이를 전기 이중층(EDL)이라 부를 수 있다. 전기 이중층은 나노갭 축전지로 인한 큰 전기용량을 가질 수 있다. 따라서, 동일한 게이트 전압이 인가되어도 종래의 FET 구조에 비해 본 실시예에 따른 광전자 장치(100)는 계면에 더 많은 전하 운반자를 축적하거나 고갈시킬 수 있어 변조 효율을 상승시킬 수 있다.Ionic liquid 140 may cover the active layer 130. Ionic liquid 140 is [DEME][TFSI], [DEME][BF4], [EMIM]-[BF4], [BMIM][BF4], [BMIM][TFSI], [TMPA][BF4], [ It may include at least one of DEME][FSI] and [EMIM][FSI]. The ionic liquid 140 functions as a kind of gate dielectric, operates at low power compared to a conventional oxidized dielectric, and allows the density of charge carriers to be controlled within a large range. When the gate voltage is applied to the first electrode 121, charges are induced at the solid/liquid interface of the first electrode 121 and the ionic liquid 140, and the solid/liquid interface of the active layer 130 and the ionic liquid 140 Charges are induced at the interface. Therefore, charge is induced at the two solid/liquid interfaces, which can be called an electric double layer (EDL). Electric double layers can have large capacitances due to nanogap capacitors. Therefore, even if the same gate voltage is applied, compared to the conventional FET structure, the optoelectronic device 100 according to the present embodiment can accumulate or deplete more charge carriers at the interface, thereby increasing modulation efficiency.

이온 액체(140)는 피펫(pipette)방식으로 활성층(130) 상에 도포되거나 또는 스핀 코팅(spin coating)으로 활성층(130)상에 도포될 수 있다. 이온 액체(140)의 도포 방식은 특별한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 종류의 방법을 이용할 수 있다.The ionic liquid 140 may be applied on the active layer 130 using a pipette method or spin coating. The method of applying the ionic liquid 140 is not limited to a particular embodiment, and various types of methods can be used.

전력원(150)은 전극부(120)와 연결될 수 있다. 전력원(150)은 전극부(120)에 소정의 전압을 인가하여 광전자 장치(100)의 광학적 특성을 변조시킬 수 있다. 광학적 특성의 변조 양상은 활성층(130)의 소재 및 인가하는 전압의 부호 및 크기에 딸라 달라질 수 있음은 전술한 바와 같다.The power source 150 may be connected to the electrode unit 120. The power source 150 may modulate the optical characteristics of the optoelectronic device 100 by applying a predetermined voltage to the electrode unit 120. As described above, the modulation pattern of optical properties may vary depending on the material of the active layer 130 and the sign and magnitude of the applied voltage.

광전자 장치(100)는 장치를 덮는 보호층(미도시)를 더 포함할 수 있다. 보호층(미도시)은 광전자 장치(100)의 작동 파장 영역에 대하여 투명한 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 보호층(미도시)는 도 1f에 도시된 바와 같이 유리 덮개(cover glass)일 수 있다. 예를 들어, 보호층(미도시)는 이온 액체를 봉지(encapsulation)할 수 있다.The optoelectronic device 100 may further include a protective layer (not shown) covering the device. The protective layer (not shown) may be formed of a material that is transparent to the operating wavelength range of the optoelectronic device 100. For example, the protective layer (not shown) may be a cover glass as shown in FIG. 1F. For example, a protective layer (not shown) can encapsulate the ionic liquid.

도 15를 참조하면, 제 1 전극(121) 및 제 2 전극(122)에 아무런 전압도 인가하지 않은 상태에서 광전자 장치(100)는 일정 수준의 투과도를 가질 수 있다. 예를 들어, 100% 입사광이 셀렌화 비스무트 나노플레이트를 포함하는 활성층(130)을 투과하면, 40% 광이 광전자 장치(100)를 투과할 수 있다. 즉, 예를 들어, 전압이 인가되지 않은 광전자 장치(100)의 투과도는 40% 일 수 있다. Referring to FIG. 15 , the optoelectronic device 100 may have a certain level of transmittance when no voltage is applied to the first electrode 121 and the second electrode 122. For example, when 100% of the incident light passes through the active layer 130 including bismuth selenide nanoplates, 40% of the light may pass through the optoelectronic device 100. That is, for example, the transmittance of the optoelectronic device 100 to which no voltage is applied may be 40%.

도 16을 참조하면, 제 1 전극(121)에 양에 전압을 인가하면, 광전자 장치(100)의 투과도는 상승될 수 있다. 예를 들어, 100% 입사광이 셀렌화 비스무트 나노플레이트를 포함하는 활성층(130)을 투과하면, 70% 광이 광전자 장치(100)를 투과할 수 있다. 셀렌화 비스무트의 광학적 특성이 변조됨으로써 투과도가 상승될 수 있다. 본 실시예에 따른 광전자 장치(100)는 3V 이하의 양의 전압이 제 1 전극(121)으로 인가되어도 투과도가 10% 이상 변화될 수 있다.Referring to FIG. 16, when a positive voltage is applied to the first electrode 121, the transmittance of the optoelectronic device 100 can be increased. For example, when 100% of the incident light passes through the active layer 130 including bismuth selenide nanoplates, 70% of the light may pass through the optoelectronic device 100. Transmittance can be increased by modulating the optical properties of bismuth selenide. In the optoelectronic device 100 according to this embodiment, the transmittance may change by more than 10% even when a positive voltage of 3V or less is applied to the first electrode 121.

도 17을 참조하면, 제 1 전극(121)에 양에 전압을 인가하면, 광전자 장치(100)의 투과도는 상승될 수 있다. 예를 들어, 100% 입사광이 셀렌화 비스무트 나노플레이트를 포함하는 활성층(130)을 투과하면, 70% 광이 광전자 장치(100)를 투과할 수 있다. 셀렌화 비스무트의 광학적 특성이 변조됨으로써 투과도가 저하될 수 있다. 본 실시예에 따른 광전자 장치(100)는 3V 이하의 음의 전압이 제 1 전극(121)으로 인가되어도 투과도가 10% 이상 변화될 수 있다.Referring to FIG. 17, when a positive voltage is applied to the first electrode 121, the transmittance of the optoelectronic device 100 can be increased. For example, when 100% of the incident light passes through the active layer 130 including bismuth selenide nanoplates, 70% of the light may pass through the optoelectronic device 100. Transmittance may be reduced by modulating the optical properties of bismuth selenide. In the optoelectronic device 100 according to this embodiment, the transmittance may change by more than 10% even when a negative voltage of 3V or less is applied to the first electrode 121.

[광전자 장치의 다른 [Others of optoelectronic devices 실시예Example ]]

도 18 내지 도 20은 다른 실시예에 따른 광 전자 장치(200)와 관련된 내용을 서술한다. 18 to 20 describe content related to the optoelectronic device 200 according to another embodiment.

도 18은 다른 실시예에 따른 광 전자 장치(200)의 개략적인 평면도이다. 도 19는 도 18에 따른 광 전자 장치(200)를 B-B'을 따라 자른 개략적인 단면도이다. 도 20은 도 18에 따른 광 전자 장치(200)를 C-C'을 따라 자른 개략적인 단면도이다.Figure 18 is a schematic plan view of an optoelectronic device 200 according to another embodiment. FIG. 19 is a schematic cross-sectional view of the optoelectronic device 200 according to FIG. 18 taken along line B-B'. FIG. 20 is a schematic cross-sectional view of the optoelectronic device 200 according to FIG. 18 taken along line C-C'.

광전자 장치(200)은 기판(210), 전극부(220), 활성층(230), 이온 액체(240), 전력원(250)을 포함할 수 있다.The optoelectronic device 200 may include a substrate 210, an electrode unit 220, an active layer 230, an ionic liquid 240, and a power source 250.

기판(210)은 가시광선 및 적외선 영역의 광에 대하여 투명하거나 반투명한 물질로 형성될 수 있다. 전극부(220)는 제 1 전극(221), 제 2 전극(222), 및 제 3 전극(223)을 포함할 수 있다. 활성층(230)은 제 1 전극(221)과는 전기적으로 절연되도록 마련되며, 제 2 전극(223) 및 제 3 전극(223)과는 전기적으로 연결되도록 마련될 수 있다. 이온 액체(240)는 활성층(230)을 덮을 수 있다. 전력원(250)은 전극부(220)와 연결될 수 있다.The substrate 210 may be formed of a material that is transparent or translucent to light in the visible and infrared regions. The electrode unit 220 may include a first electrode 221, a second electrode 222, and a third electrode 223. The active layer 230 may be provided to be electrically insulated from the first electrode 221 and electrically connected to the second electrode 223 and the third electrode 223. Ionic liquid 240 may cover the active layer 230. The power source 250 may be connected to the electrode unit 220.

전극부(220)는 제 1 전극(221), 제 2 전극(222), 및 제 3 전극(223)을 포함할 수 있다. 제 1 전극(221)은 활성층(230)과 전기적으로 연결되지 않도록 마련될 수 있다. 제 1 전극(221)은 게이트 전극으로 기능할 수 있다. 제 2 전극(223) 및 제 3 전극(223)은 활성층(230)과 전기적으로 연결되도록 마련될 수 있다. 제 2 전극(222)은 드레인 전극, 제 3 전극(223)은 소스 전극으로 기능할 수 있다. 제 2 전극(222)과 제 3 전극(223)은 활성층(230)을 사이에 두고 서로 마주하도록 마련될 수 있다.The electrode unit 220 may include a first electrode 221, a second electrode 222, and a third electrode 223. The first electrode 221 may be provided so as not to be electrically connected to the active layer 230. The first electrode 221 may function as a gate electrode. The second electrode 223 and the third electrode 223 may be provided to be electrically connected to the active layer 230. The second electrode 222 may function as a drain electrode, and the third electrode 223 may function as a source electrode. The second electrode 222 and the third electrode 223 may be provided to face each other with the active layer 230 interposed therebetween.

본 실시예에 따른 광전자 장치(200)는 도 14에 따른 광전자 장치(100)와 마찬가지의 방법으로 작동할 수 있다. 제 1 전극(221)에 전압을 인가하지 않거나, 양의 전압을 인가하거나, 음의 전압을 인가하거나의 각 경우에 따라 활성층(230)의 광학적 특성이 변조될 수 있다. 예를 들어, 음의 전압을 인가하면 활성층(230)의 투과도가 감소되며, 양의 전압을 인가하면 활성층(230)의 투과도가 증가할 수 있다. 제 1 전극(221), 제 2 전극(222), 및 제 3 전극(223)이 활성층(230)을 덮지 않으므로, 활성층(230)을 투과하는 광의 산란을 방지할 수 있다. 이러한 점은 본 실시예에 따른 광전자 장치(200)와 종래의 FET 구조와의 차이점일 수 있다.The optoelectronic device 200 according to this embodiment may operate in the same manner as the optoelectronic device 100 according to FIG. 14. The optical properties of the active layer 230 may be modulated depending on whether no voltage is applied to the first electrode 221, a positive voltage is applied, or a negative voltage is applied. For example, when a negative voltage is applied, the transmittance of the active layer 230 may decrease, and when a positive voltage is applied, the transmittance of the active layer 230 may increase. Since the first electrode 221, the second electrode 222, and the third electrode 223 do not cover the active layer 230, scattering of light passing through the active layer 230 can be prevented. This may be a difference between the optoelectronic device 200 according to this embodiment and the conventional FET structure.

도 19 및 도 20을 참조하면, 제 1 전극(221)에 전압이 인가되면, 제 2 전극(222)에서 제 3 전극(223)으로 소정의 전류가 흐를 수 있다. Referring to FIGS. 19 and 20 , when voltage is applied to the first electrode 221, a predetermined current may flow from the second electrode 222 to the third electrode 223.

[스마트 [smart 윈도우의of the window Day 실시예Example ]]

도 21은 일 실시예에 따른 스마트 윈도우(300)의 개략적인 평면도이다. 스마트 윈도우(300)는 복수의 광전자 장치(310, 320, 330)을 포함할 수 있다. 스마트 윈도우는 대면적의 광학적 투과도의 변경이 요구될 수 있다. 이에, 복수의 광전자 장치(310, 320, 330)를 배열함으로써 반응속도가 빠르고, 낮은 전압으로도 투과도를 변경할 수 있는 스마트 윈도우(300)의 구현이 가능하다. 복수의 광전자 장치(310, 320, 330)는 전력원(340)에 의해 양의 전압 또는 음의 전압을 인가하여 광학적 투과도를 변경할 수 있다.Figure 21 is a schematic plan view of a smart window 300 according to an embodiment. The smart window 300 may include a plurality of optoelectronic devices 310, 320, and 330. Smart windows may require changes in optical transparency over large areas. Accordingly, by arranging a plurality of optoelectronic devices 310, 320, and 330, it is possible to implement a smart window 300 that has a fast response speed and can change transmittance even at a low voltage. The plurality of optoelectronic devices 310, 320, and 330 may change optical transmittance by applying a positive or negative voltage by the power source 340.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 광전자 장치 및 스마트 윈도우에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.So far, exemplary embodiments of optoelectronic devices and smart windows have been described and illustrated in the accompanying drawings to facilitate understanding of the present invention. However, it should be understood that these examples are merely illustrative of the invention and do not limit it. And it should be understood that the present invention is not limited to the description shown and illustrated. This is because various other modifications may occur to those skilled in the art.

100 : 광전자 장치
110 : 기판
120 : 전극부
121 : 제 1 전극 122 : 제 2 전극
130 : 활성층
140 : 이온 액체
150 : 전력원
100: Optoelectronic device
110: substrate
120: electrode part
121: first electrode 122: second electrode
130: active layer
140: ionic liquid
150: power source

Claims (19)

광전자 장치에 있어서,
기판;
상기 기판 상에 마련되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 전극부;
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 사이에 마련되며, 상기 제1전극과 이격되고 상기 제2전극과 전기적으로 연결된 활성층; 및
상기 활성층을 덮는 이온 액체;를 포함하며,
상기 전극부와 상기 활성층은 상기 기판의 동일한 평면 상에 수직 방향으로 서로 중첩되지 않도록 배치되며,
상기 이온 액체는 상기 전극부와 상기 활성층을 덮으며, 상기 제1전극과 상기 활성층 사이에 상기 이온 액체가 개재되는 광전자 장치.
In an optoelectronic device,
Board;
an electrode unit including a first electrode and a second electrode provided on the substrate;
an active layer provided between the first electrode and the second electrode, spaced apart from the first electrode, and electrically connected to the second electrode; and
It includes an ionic liquid covering the active layer,
The electrode portion and the active layer are arranged in a vertical direction on the same plane of the substrate so as not to overlap each other,
The ionic liquid covers the electrode portion and the active layer, and the ionic liquid is interposed between the first electrode and the active layer.
제 1 항에 있어서,
상기 활성층은 칼코게나이드 나노플레이트를 포함하는 광전자 장치.
According to claim 1,
An optoelectronic device wherein the active layer includes chalcogenide nanoplates.
제 2 항에 있어서,
상기 칼코게나이드 나노플레이트는 Bi2Se3, MoSe2, GaSe, MoS2, WSe2, WS2, Bi2Te3, ZnSe, InSe, In2Se3, ReS2 중 적어도 하나의 물질로 형성되는 광전자 장치.
According to claim 2,
The chalcogenide nanoplate is Bi 2 Se 3 , MoSe 2 , GaSe, MoS 2 , WSe 2 , WS 2 , Bi 2 Te 3 , ZnSe, InSe, In 2 Se 3 , ReS 2 An optoelectronic device formed of at least one of the following materials.
제 1 항에 있어서,
상기 활성층은 층구조를 가지는 2차원 물질(two-dimensional (2D) layered structure material)로 형성되는 광전자 장치.
According to claim 1,
An optoelectronic device in which the active layer is formed of a two-dimensional (2D) layered structure material.
제 4 항에 있어서,
상기 층구조를 가지는 2차원 물질은 Bi2Se3, MoSe2, 흑린(black phosphorus), ZnO, GaAs, Ge, Si 중 적어도 하나의 물질로 형성되는 광전자 장치.
According to claim 4,
The two-dimensional material having the layered structure is an optoelectronic device formed of at least one material selected from the group consisting of Bi 2 Se 3 , MoSe 2 , black phosphorus, ZnO, GaAs, Ge, and Si.
제 1 항에 있어서,
상기 활성층의 두께는 20 나노미터 이하인 광전자 장치.
According to claim 1,
An optoelectronic device wherein the thickness of the active layer is 20 nanometers or less.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 액체는 [DEME][TFSI], [DEME][BF4], [EMIM]-[BF4], [BMIM][BF4], [BMIM][TFSI], [TMPA][BF4], [DEME][FSI], [EMIM][FSI] 중 적어도 하나를 포함하는 광전자 장치.
According to claim 1,
The ionic liquids are [DEME][TFSI], [DEME][BF4], [EMIM]-[BF4], [BMIM][BF4], [BMIM][TFSI], [TMPA][BF4], [DEME] [FSI], [EMIM] An optoelectronic device including at least one of [FSI].
제 1 항에 있어서,
상기 전극부와 결합되고, 상기 광전자 장치의 광학적 특성을 변조시키는 전력원;을 더 포함하는 광전자 장치.
According to claim 1,
An optoelectronic device further comprising a power source coupled to the electrode unit and modulating optical characteristics of the optoelectronic device.
제 8 항에 있어서,
상기 전력원은 상기 전극부에 -3V 내지 3V의 전압을 인가하여, 상기 광전자 장치의 투명도를 변조하는 광전자 장치.
According to claim 8,
The power source modulates transparency of the optoelectronic device by applying a voltage of -3V to 3V to the electrode portion.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 상기 활성층과 전기적으로 연결되지 않도록 마련되는 광전자 장치.
According to claim 1,
The optoelectronic device is provided so that the first electrode is not electrically connected to the active layer.
제 1 항에 있어서,
상기 기판은 유리(glass), 사파이어(sapphire), 석영(quartz), 산화 실리콘(silicon dioxide), 질화 실리콘(silicon nitride), 질화 갈륨(gallium nitride), 플라스틱(plastics), 질화 보론(boron nitride), ITO, AZO, IZO, FTO, CdO, CdZnO, CdNiO, PEDOT, 그래핀(graphene) 중 적어도 하나의 물질로 형성되는 광전자 장치.
According to claim 1,
The substrate is glass, sapphire, quartz, silicon dioxide, silicon nitride, gallium nitride, plastics, and boron nitride. , ITO, AZO, IZO, FTO, CdO, CdZnO, CdNiO, PEDOT, and graphene. An optoelectronic device formed of at least one material.
제 1 항에 있어서,
상기 전극부는 상기 기판 상에 마련되는 제 3 전극을 더 포함하는 광전자 장치.
According to claim 1,
The electrode unit further includes a third electrode provided on the substrate.
제 12 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 상기 활성층과 전기적으로 연결되지 않는 게이트 전극으로 기능하고, 상기 제 2 전극은 상기 활성층과 전기적으로 연결되며 드레인 전극으로 기능하고, 상기 제 3 전극은 상기 활성층과 전기적으로 연결되며 소스 전극으로 기능하는 광전자 장치.
According to claim 12,
The first electrode functions as a gate electrode that is not electrically connected to the active layer, the second electrode is electrically connected to the active layer and functions as a drain electrode, and the third electrode is electrically connected to the active layer and serves as a source. Optoelectronic devices that function as electrodes.
제 12 항에 있어서,
상기 제 3 전극은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과 함께 상기 기판 상의 동일 평면 상에 마련되는 광전자 장치.
According to claim 12,
The third electrode is provided on the same plane as the first electrode and the second electrode on the substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 장치를 덮는 보호층;을 더 포함하는 광전자 장치.
According to claim 1,
An optoelectronic device further comprising a protective layer covering the device.
제 15 항에 있어서,
상기 이온 액체는 상기 보호층에 의해 봉지(encapsulation)되는 광전자 장치.
According to claim 15,
The optoelectronic device wherein the ionic liquid is encapsulated by the protective layer.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 액체는 스핀 코팅(spin coating), 또는 피펫(pipette) 방식으로 상기 활성층을 덮는 광전자 장치.
According to claim 1,
The ionic liquid is an optoelectronic device that covers the active layer by spin coating or pipette method.
제 1 항에 있어서,
상기 활성층은 사각형, 원형, 삼각형, 타원형, 직사각형, 육각형, 다각형 중 어느 하나의 형상을 가지는 광전자 장치.
According to claim 1,
The active layer is an optoelectronic device having any one of the following shapes: square, circle, triangle, oval, rectangle, hexagon, or polygon.
제 1 항에 따른 복수의 광전자 장치; 및
상기 복수의 광전자 장치와 결합되고, 상기 복수의 광전자 장치의 광학적 특성을 변조하는 전력원;을 포함하는 스마트 윈도우.
A plurality of optoelectronic devices according to claim 1; and
A power source coupled to the plurality of optoelectronic devices and modulating optical characteristics of the plurality of optoelectronic devices.
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