카이랄 페로브스카이트와 III-V 반도체를 통한 스핀 제어로 광전자공학 혁신 연구

Seoul미국 에너지부 국립재생에너지연구소(NREL)의 과학자들이 광전자공학 분야에서 중요한 진전을 이루었다. 그들은 III-V라고 불리는 한 종류의 반도체와 특별한 물질인 카이랄 할라이드 페로브스카이트를 결합하여 사용했다. 이 새로운 조합은 일반 LED를 자기장을 사용하지 않고 전자 스핀을 제어할 수 있는 장치로 변형시켰다.

다음은 팀이 달성한 성과입니다.

• 페로브스카이트 층을 활용하여 광원이 편광된 LED를 제작하였습니다.
• III-V 반도체와 키랄 페로브스카이트를 통합하였습니다.
• 상온에서도 스핀 제어가 가능해졌습니다.

이 새로운 기술은 광전자공학 분야에 혁신을 가져올 수 있으며, LED, 태양 전지, 그리고 통신용 레이저와 같은 기기에 영향을 미칠 것입니다.

매튜 비어드 박사는 NREL의 수석 연구원으로, '상온 스핀 주입: 키랄 페로브스카이트/III-V 계면을 넘어서'라는 제목의 논문을 네이처에 공동 저술했습니다. 또한, 그는 에너지용 유기-무기 하이브리드 반도체 센터(CHOISE)를 이끌고 있으며, 이 센터는 미국 에너지부의 과학 기초 에너지 과학 사무소로부터 자금을 지원받고 있습니다.

CHOISE는 이 연구를 후원했으며, 이 연구에는 NREL, 콜로라도 광산학교, 유타 대학교, 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스 및 프랑스의 로렌 대학교의 전문가들이 참여했습니다.

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CHOISE는 화학 물질을 사용하여 전하, 스핀, 그리고 빛이 서로 변화하는 과정을 연구합니다. 특히 전자의 스핀 제어에 중점을 두고 있으며, 스핀은 "업" 혹은 "다운" 상태가 될 수 있습니다.

대부분의 현대 기기는 전하를 빛으로, 다시 빛을 전하로 변환합니다. 여기에 스핀 제어를 추가하면 새로운 효과와 용도가 생길 수 있습니다. 비어드에 따르면 사람들은 종종 전자의 스핀을 무시하지만, 이는 제어할 수 있는 중요한 요소입니다.

2021년, 연구자들은 두 가지 종류의 페로브스카이트 층을 사용하여 스핀을 조절했습니다. 그들은 잘못된 스핀을 가진 전자를 차단하는 필터를 만들었습니다. 이 두 반도체를 사용하면 광전자공학이 향상될 수 있다고 생각했습니다. 최근의 발전은 그들의 생각이 옳았음을 확인시켜 줍니다.

페로브스카이트를 III-V 반도체와 결합하면 극저온이 필요 없어집니다. 이것은 데이터 처리 성능을 개선하고 전력 소모를 줄입니다. III-V 반도체를 추가함으로써 편광이 약 15% 증가하여 LED의 스핀 축적이 향상됩니다.

주 저자인 매튜 하우징어는 일반 LED에 스핀 기능을 추가하는 것에 대해 흥분하고 있습니다. 그는 그들이 사용한 LED의 가격이 약 14센트라고 언급했습니다. 키랄 페로브스카이트를 추가하면 스핀을 제어할 수 있는 기기로 바뀝니다.