광반응성 크게 개선된 산화아연 양자점 기반 광검출기 개발
- 반도체 양자점, 이황화 몰리브덴 나노플레이크와 플라즈모닉 나노입자를 통합하여 광반응성 크게 개선하여
극소량의 광자 탐지 가능 -
- 미사일 발사 초기 탐지, 화염 초기 탐지, 바이러스 초기 탐지 등에 응용 가능 기대 -
- JCR 카테고리 분야 순위 1위 과학전문지 게재 -
본교 전자공학과 이지훈 교수 연구팀은 전자공학과 루투자 박사과정 연구원(제1저자)과 함께 메타표면 플라즈몬 기반의 팔라듐-은 (palladium-silver) 하이브리드 나노입자 (PdAg HNP), 이황화 몰리브덴 나노플레이크 (MoS2 NF) 및 산화아연 양자점 (ZnO QD)을 통합한 UV 포토디텍터 하이브리드 아키텍처를 시연하는데 세계 최초로 성공하였다. 하이브리드 MoS2/ZnO/HNP 포토디텍터는 10V, 3855nm, 54.9 mW/mm2 광조사에서, 4 × 10-3A의 광전류를 나타내었으며, 이는 ZnO QD 포토디텍터 광전류와 비교하면 100배 이상 효율이 상승한 것이다. 제안된 MoS2/ZnO/HNP 하이브리드 자외선 (UV) 광검출기는 수초 정도의 향상된 상승 및 하강 시간과 함께 탁월한 성능을 보여주었다.
자외선 (UV) 광검출은 우리 생활과 아주 밀접하게 연관되어 있다. 적절한 자외선 노출은 비타민 D 합성을 촉진하여 구루병을 예방하는 등 건강에 도움을 주지만, 과도한 자외선 노출은 백내장, 피부 노화 및 피부암 과 같은 다양한 질병을 유발할 수 있다. 또한, 작물 생산량과 건축물의 수명 또한 UV 조사량에 의해 크게 영향을 받는다. 자외선 (UV) 광검출기는, 환경 모니터링, 오염 모니터링, 생화학 분석, 화염 감지, 위성 간 통신, 공장 자동화, 미사일 발사 감지 및 광통신 등의 다양한 응용 분야로 인해 많은 연구가 진행되고 있다.
최신 자외선 (UV) 광검출기는 고감도, 신속응답, 저비용을 요구하며, 현재 다양한 재료 및 디바이스 구조가 연구되고 있다. 전통적으로 GaN, ZnO, TiO2 및 이종 접합과 같은 넓은 밴드갭 반도체를 기반으로하는 자외선 (UV) 광검출기가 주로 개발되었으며, 최근에는 다양한 신물질을 결합한 하이브리드 디바이스 구조가 뛰어난 광자 흡수, 빠른 반응성, 다양한 디바이스 구성으로 큰 잠재력을 보여주고 있다. 넓은 반도체 밴드갭, 우수한 전기적 특성, 화학적 안정성 및 상대적으로 저렴한 비용으로 인해, 산화아연 양자점 (ZnO QD)은 가장 유망한 물질 중 하나이다.
사진 설명: MoS2 나노플레이크(NF) / ZnO 양자점 (QD) / PdAg 하이브리드 나노입자 (HNP), 즉 MoS2/ZnO/HNP 하이브리드 광검출기 아키텍처의 개략도. 다양한 장치의 광응답 (54.9mW/mm2의 385 nm 조명10 V). MoS2/ZnO/HNP 하이브리드 FDTD 시뮬레이션. MoS2/ZnO/HNP 하이브리드 디바이스 단면분석. 하이브리드 MoS2/ZnO/HNP 광검출기 아키텍처에서 전하 이동 및 광전류 향상의 개략도.
MoS2/ZnO/HNP 하이브리드 광검출기 아키텍처의 향상된 성능은 광활성 산화아연 양자점 (ZnO QD) 층에 의해 완전히 캡슐화된 플라즈몬 HNP에서 산란된 광자뿐만 아니라 메타표면 플라즈몬 공명 (LSPR) 유도 핫캐리어의 효율적인 활용에 기인한다. 또한 이황화 몰리브덴 나노플레이크 (MoS2 NF)를 추가하면 추가적인 광자흡수 경로를 제공 할 수 있다. 제안된 MoS2/ZnO/HNP 하이브리드 디바이스 구조는 향상된 자외선 (UV) 광반응을 위해 플라즈몬 HNP, MoS2 NF 및 ZnO QD의 광자흡수 및 캐리어 이동 특성의 통합을 보여주며, 기존 UV 광검출기에 비해 월등히 높은 성능을 구현하는데 성공하였다.
이번 연구의 연구진은Rutuja Mandavkar (박사과정, 광운대-제1저자), Rakesh Kulkarni (박사과정, 광운대), Shusen Lin (박사과정, 광운대), Sanchaya Pandit (석사과정, 광운대), Shalmali Burse (박사과정, 광운대), Md Ahasan Habib (박사과정, 광운대), Puran Pandey (박사과정, 광운대), So Hee Kim (연구원, KIST 한국과학기술연구원), Ming-Yu Li (교수, 우한공대), Sundar Kunwar (박사과정, 광운대), Jihoon Lee (교수, 광운대 - 교신저자)이며, 국제공동 연구로 진행되었다. 루투자 (Rutuja Mandavkar) 학생은 2020년 광운대 전자과 박사과정으로 입학하였으며, 현재 박사과정2년차 연구원이다. 현재까지 다수의 공동연구에 참여하여, 다수의 공저자 논문을 출판하였다. 첫 번째, 제1저자 논문이 우수한 저널에 출판되어 기쁘며, 박사학위 취득후, 우수기관에서 계속 연구를 이어가고 싶다는 포부를 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 중견연구자, BK-21, 중점연구소 사업과 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 Applied Surface Science (JCR 카테고리 분야 1위 (상위 4.76 %) Q1 MATERIALS SCIENCE, COATINGS & FILMS, IF: 6.707) 2021년 10월 20일자 온라인 판에 “Dual-Step hybrid SERS scheme through the blending of CV and MoS2 NPs on the AuPt core-shell hybrid NPs”의 제목으로 게재되었다.
* Web link: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151739
