인더뉴스 제해영 기자ㅣ부산대학교 물리학과 김지희 교수 연구팀이 성균관대, 충북대와 공동으로 단일층 2차원 반도체에서 전하 증폭의 이론적 한계치를 실험적으로 구현했습니다.

이번 연구는 기존 태양전지 효율의 물리적 한계를 극복할 수 있는 핵심 메커니즘을 입증한 것으로, 차세대 태양전지 및 양자 광전 소자 개발의 돌파구를 마련했다는 평가를 받고 있습니다.

연구팀은 단일층 MoSe2에서 하나의 광자가 2쌍의 전하를 생성하는 전하 증폭 현상을 구현하고, 양자 효율 200%를 실험적으로 달성했습니다.

핵심은 펨토초 레이저를 활용한 초고속 분해 측정을 통해, 고에너지 전자(핫캐리어)가 결함 없이 수 마이크로미터를 이동하는 ‘탄도 확산’ 현상을 실시간으로 관측한 점입니다.

또한 밀도범함수 이론(DFT)을 기반으로, MoSe2 단일층이 갖는 밴드 네스팅과 밸리 대칭성 구조가 전하 증폭 조건을 만족함을 이론적으로 규명했습니다.

김지희 교수는 “2차원 반도체 구조가 다른 차원 구조보다 더 높은 전하 증폭 효율을 가질 수 있다는 이론을 최초로 실험적으로 입증했다”고 강조했습니다.

이어 “이번 연구는 2차원 반도체의 구조·전자적 특성이 고효율 에너지 변환의 핵심이라는 점을 정량적으로 보여준 사례로, 향후 양자 정보 처리, 초고속 센서 등 다양한 기술의 기반이 될 것”이라고 덧붙였습니다.

이번 연구 결과는 재료공학 분야 국제 학술지 'Materials Horizons' 7월 1일자에 게재됐으며, 논문 제목은 ‘Hot carrier diffusion-assisted ideal carrier multiplication in monolayer MoSe2’입니다. (DOI: https://doi.org/10.1039/D5MH00230C)