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그래핀은 어떻게 빛을 전기로 바꾸....

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글쓴이 최고관리자 등록일 13-01-31 16:35
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    그래핀은 빛에 노출되었을 때에 전통적인 반도체처럼 행동하지 않는다. 그러나 연구자들은 이 물질의 특이한 광반응을 제어하는 정확한 메커니즘을 이해하지 못하고 있다. 그래핀 트랜지스터에 대한 광전도도 실험이 이제 미국 IBM 연구진에 의해서 수행되었으며 광전지 또는 복사 효과(bolometric effects)가 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 이 연구 결과는 이 놀라운 물질로부터 새로운 종류의 초고속 및 높은 효율의 전자기술 디바이스 제작을 가능하게 해 줄 것이다.

    광검출기는 광학적 신호를 전류로 바꿈으로써 빛을 검출하는 디바이스이다. 이것은 통신, 센싱 및 이미징에 일상적으로 사용되고 있다. 대부분의 광 검출기는 갈륨 비소와 같은 III-V 족 반도체로 만들어진다. 그것들은 포톤을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성시키고, 그 후 분리되어 전류를 만들어낸다. 그래핀은 탄소 원자 한 개 두께를 가진 평평한 판이며 다수의 독특한 물리적 그리고 기계적 특성을 가지고 있어서 빛을 검출하는데 이상적인 물질이다.

    하나의 중요한 이점은 전자들이 다른 물질보다 그래핀을 통해서 훨씬 더 빨리 움직일 수 있다는 것이다. 그래핀 안에서 전자들의 이런 거동은 마치 전자들이 질량이 없는 것처럼 행동하는 것이며 빛의 속도에 비해서 1/300의 속도로 움직이는 것이다. 이런 입자들은 질량 없는 디락 페르미온으로 불리며 그들의 거동은 현재 존재하는 어떤 것들보다, 트랜지스터를 포함하여 다양한 응용에 사용될 수 있게 해준다.

    그래핀은 또한 매우 좋은 광흡수체이며 가시광선에서 적외선에 이르기까지 매우 넓은 영역의 파장에 대해서 빛을 흡수할 수 있다. III-V 족 화합물 반도체는 그와 같은 넓은 범위 상에서 작동할 수 없다는 단점이 있다. 지금까지, 연구자들은 그래핀이 빛을 적어도 5개의 다른 메커니즘을 통하여 흡수한다고 믿고 있다. 즉, 광전지, 열전기 또는 볼로메트릭 효과, 그리고 산소의 광탈착 또는 광트랜지스터 증폭기 메커니즘을 통해서라고 믿고 있는 것이다.

    뉴욕, 요크타운 하이츠(Yorktown Heights ) IBM TJ 와트슨 연구 센터의 패든 아부리스(Phaedon Avouris)가 이끄는 연구진은 이제 그라핀 필드 효과 트랜지스터의 광전도도 실험에서 이런 모든 효과들을 자세히 조사하였다. IBM 연구자들은 그들의 연구 결과를 FET에 집중된 적외선 레이저 빛을 조사시키고 록킨(lock-in) 기술을 이용한 광전류를 측정함으로써 얻을 수 있었다. 실험은 그라핀 p-n 접합 대신에 균일한 그래핀 상에서 수행되었다. 이것은 다른 이전의 많은 실험에서와 마찬가지로 연구진이 탄소 물질의 고유 광반응성을 측정할 수 있게 해준다.

    그래핀이 빛을 흡수할 때, 전자-정공쌍들은 여기되어 다른 전자 및 정공과 급격히 상호작용한다. 이런 상호작용은 전반적인 전자들의 온도를 높인다고 연구진은 설명하였다. 그러나 전자들은 탄소 격자와 잘 결합하지 못하기 때문에 그들의 열을 단지 매우 천천히 전달하여 “뜨거운” 상태로 남아있게 된다. 이런 뜨거운 전송자가 그래핀 안에서 광전지 전류를 발생시킨다고 연구진은 말하였다.

    격자 온도가 증가할 때, 이것은 전자 이동도를 변화시키고 반대 방향으로 복사 전류를 생성시킨다. 낮은 전하 밀도에서, 광전 효과가 주류를 이루고 반면에 높은 전자 주입 수준에서 복사 효과라고 연구진은 말하였다. 연구진은 역게이트 전압을 이용하여 그래핀 FET의 전자 밀도를 변화시킴으로써 그들이 이런 두 종류의 광전류 반응 메커니즘 사이를 바꿀 수 있다는 것을 발견하였다.

    그래핀에서 광전류가 어떻게 생성되는지를 정확하게 아는 것은 이런 물질로 만들어진 광검출기의 효율을 향상시키는 데 핵심적이다. 예를 들면, 그래핀 트랜지스터가 놓인 강유전체를 변화시키는 것은 디바이스에서 전자-포논 결합을 변화시키고 따라서 이런 변화는 볼로메트릭 또는 광전지 주도를 변화시킨다. 연구진은 이제 고유한 그래핀 플라즈몬을 이용함으로써 중-적외선 영역의 그라핀 광흡수를 향상시키는 연구를 수행하고 있다. 연구진은 그래핀이 디락 페르미온 덕분에 이런 에너지 영역에서 분명한 이점을 가지고 있을 것으로 믿고 있다. 이들의 연구 결과는 Nature Photonics 저널에 자세히 기술되었다.
     
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