입력 2025.04.23 16:23
- 「Advanced Materials」 온라인 게재... 나노 스케일 스트레인 엔지니어링에 새 기준 제시
한양대학교 물리학과 정문석 교수 연구팀은 1nm 미만의 단일층 2차원 반도체 소재에서 형성되는 미세한 주름이 내부 응력(스트레인)을 어떻게 유발하고, 그 스트레인이 물질의 진동 특성(포논)에 어떤 영향을 미치는지를 정밀하게 규명했다고 23일 밝혔다.
정 교수팀은 이번 연구를 통해 기존까지 관측되지 않았던 숨은 진동 모드를 세계 최초로 발견했다. 또한 스트레인을 정량적으로 측정할 수 있는 물리적 지표로 제안함으로써 2차원 반도체 기반 스트레인 엔지니어링 분야에 새로운 방향성을 제시했다.
2차원 반도체는 두께가 1nm 미만의 단층 구조로, 전자 이동 특성이 극도로 민감하고 직접 밴드갭(direct bandgap)을 가지기 때문에 광소자, 양자소자, 단일광자원 등에서 핵심 소재로 주목받고 있다. 이러한 재료는 외부 힘에 의해 살짝 당기거나 구부리는 것만으로도 전자 구조와 밴드갭이 조절될 수 있다. 그렇기 때문에 성능을 물리적으로 손상시키지 않고 변화시킬 수 있는 ‘비파괴적 제어 수단’으로서 스트레인의 활용 가능성이 높다. 하지만 지금까지는 스트레인을 정확히 감지하고 측정하는 기준이 부족하여 실용화에 한계가 있었다.
정 교수팀은 연구를 통해 나노 분광 분석 기법인 ‘탐침 증강 라만 분광법(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy, TERS)’을 활용해 기존 방식으로는 감지할 수 없었던 ‘라만 비활성 진동 모드()’를 포착하는 데 성공했다. 해당 진동 모드는 주름 구조 내 국소적인 스트레인에 따라 진동수와 세기가 민감하게 선형 변화를 보였으며, 다른 포논 모드와 스펙트럼상으로 겹치지 않아 스트레인을 감지하는 명확하고 직관적인 기준으로 활용될 수 있다는 점이 입증됐다.
정문석 교수는 “이 발견은 향후 스트레인 기반 양자소자, 광소자 등 나노·양자 기술의 핵심 기반을 마련할 수 있는 중요한 단서로 작용할 것”이라며 기대감을 전했다.
이번 연구는 한국연구재단 혁신연구센터사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 소재과학 분야의 세계적 학술지 「Advanced Materials」(IF 27.4)에 4월 10일 온라인 게재됐다. 논문 ‘Anomalous Phonon Softening with Inherent Strain in Wrinkled Monolayer WSe₂’는 한양대 김동현 박사가 제1저자로, 정문석 교수가 교신저자로 참여했다.