바르샤바 대학교 물리학부 연구원들은 우치 공과 대학교, 바르샤바 기술 대학교, 폴란드 과학 아카데미 팀과 협력하여 불과 40나노미터 두께의 층에 적외선을 가둘 수 있는 구조를 만들었습니다. 그들의 접근 방식은 몰리브덴 디셀레나이드(MoSe)라는 특수 재료로 만든 파장 이하 격자로 알려진 설계에 의존합니다.2). 연구 결과는 저널에 보고되었습니다. ACS나노.
극히 작은 규모로 빛을 조작하는 것은 현대 기술 발전의 핵심입니다. 기존 전자 장치가 한계에 도달하기 시작하면서 포토닉스는 전자 대신 빛을 사용하여 정보를 전달하는 대안을 제시합니다. 광자는 더 빠르게 움직이고 전자와 같은 질량을 갖지 않기 때문에 빛을 기반으로 한 장치는 더 빠르고 더 작아질 수 있으며 더 강력하고 컴팩트한 기술의 문을 열 수 있습니다.
빛의 파장에 대한 도전
빛은 입자이자 파동으로 행동하며 이러한 파동 특성으로 인해 한계가 발생합니다. 각 유형의 빛에는 파장이 있는데, 이는 구조를 효과적으로 제어하면서 구조가 얼마나 작아질 수 있는지를 결정합니다. 가시광선의 파장은 수백 나노미터인 반면, 적외선의 파장은 1 마이크로미터 이상입니다. 이는 중요한 질문을 제기합니다. 빛이 자신의 파장보다 작은 구조에 가두어질 수 있습니까?
연구팀은 이것이 실제로 가능하다는 것을 입증했다. 파장 이하 격자를 설계함으로써 그들은 두께가 40나노미터에 불과한 층 내에 적외선을 가둘 수 있었습니다. 이 구조는 프리즘과 유사하게 빛과 상호 작용하는 촘촘한 간격의 평행 스트립으로 구성됩니다. 이러한 스트립이 빛의 파장보다 서로 더 가깝게 배치되면 격자는 거의 완벽한 거울처럼 작동하는 동시에 매우 작은 볼륨 내부에 빛을 담을 수 있습니다.
몰리브덴 디셀레나이드가 효과가 좋은 이유
실리콘이나 갈륨 화합물과 같은 재료로 만들어진 이전 버전의 격자는 효과적으로 작동하려면 수백 나노미터의 두께가 필요했습니다. 크기를 줄이면 빛을 가두는 능력이 상실됩니다. 이 새로운 접근 방식의 주요 차이점은 굴절률이 훨씬 높은 몰리브덴 디셀레나이드를 사용한다는 것입니다. 간단히 말해서, 이 물질 내부에서는 다른 물질보다 빛의 속도가 더 느려집니다. 빛은 유리에서는 약 1.5배, 실리콘이나 갈륨비소에서는 약 3.5배, MoSe에서는 약 4.5배 느려집니다.2. 이 강력한 감속 효과로 인해 구조가 극적으로 줄어들면서 동시에 빛을 효율적으로 가두어 인간의 머리카락보다 천 배 이상 얇은 층을 만들 수 있습니다.
적외선을 청색광으로 전환
모스2 또한 추가적인 이점을 제공합니다. 그래핀과 마찬가지로 층상구조를 이루고 있지만 그래핀과는 달리 반도체이다. 또한 3차 고조파 생성으로 알려진 프로세스를 포함하여 비선형 광학 동작을 나타냅니다. 이 과정에서 3개의 적외선 광자가 더 높은 주파수의 광자 1개로 결합되어 적외선을 가시적인 청색광으로 효과적으로 변환합니다. 격자는 적외선을 강하게 집중시키기 때문에 이 변환은 훨씬 더 효율적입니다. 연구진은 동일한 재료로 만든 평평한 층에 비해 효과가 1,500배 이상 더 강하다는 것을 발견했습니다.
또 다른 주요 발전은 재료가 생산되는 방식에 있습니다. 이전에는 MoSe의 얇은 층이2 접착 테이프를 사용하여 크리스탈에서 층을 벗겨내는 것과 유사한 방법인 박리를 사용하여 만들어졌습니다. 이 기술은 간단하지만 일관성이 없으며 일반적으로 약 10제곱 마이크로미터 정도의 매우 작은 영역으로 제한되므로 실제 장치에는 적합하지 않습니다.
이를 극복하기 위해 연구팀은 반도체 층 성장에 널리 알려진 방법인 분자빔 에피택시(MBE)를 사용했다. 이 접근법을 통해 그들은 크고 균일한 MoSe를 생산할 수 있었습니다.2 수 평방 인치에 달하는 필름. 이렇게 큰 크기에도 불구하고 층의 두께는 40나노미터에 불과해 극단적인 종횡비를 제공합니다. 비교를 위해 이 층의 두께 대 크기 비율은 약 1:100만인 반면, 일반적인 A4 용지의 비율은 1:2000에 가깝습니다.
실용적인 광자 응용을 향하여
이러한 결과는 이러한 방식으로 생산된 몰리브덴 디셀레나이드가 미래 기술에서 빛을 제어하는 방식을 크게 바꿀 수 있음을 시사합니다. 빛을 효과적으로 조작하기 위해 더 이상 구조물이 두꺼울 필요가 없습니다. 대신, 극도로 얇은 층은 동일한 기능을 수행할 수 있으며 경우에 따라 더 나은 기능을 수행할 수 있습니다. 생산 방법이 확장 가능하기 때문에 광자 집적 회로와 같은 실제 애플리케이션을 향한 경로가 점점 더 현실화되고 있습니다.
자금 및 지원
이 연구는 OPUS 2020/39/B/ST7/03502 및 2021/41/B/ST3/04183 프로젝트에 따라 국립 과학 센터에서 자금을 지원받았으며, ERC-ADVANCED 보조금 번호 101053716에 따라 유럽 연합 자금, 프로젝트 ENG.02.01-IP.05-T004/23에 따라 폴란드 과학 재단 및 바르샤바 대학교에서 자금을 지원 받았습니다. Excellence Initiative – 연구 대학(IDUB) 우선 연구 분야 II의 새로운 아이디어 No. 501-D111-20-2004310 제목은 “디칼코게나이드 기반 초박형 서브파장 격자”입니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/04/260405003957.htm
답글 남기기