이지훈 교수(전자과) 연구팀, 그래핀 양자점(Graphene Quantum Dots) 및 이산화티타늄(Titanium Dioxide) 적용 하이브리드 포토디텍터 개발
- JCR IF 8.758 과학전문지 게재 -

전자공학과 이지훈 교수 연구팀은 전자공학과 순다 쿤와 박사과정 연구원(제1저자)과 함께 메타표면 플라즈몬 하이브리드 나노입자(HNP), 그래핀 양자점(GQD) 및 이산화티타늄(TiO2)을 통합한 UV 포토디텍터 하이브리드 아키텍처를 시연하는데 세계 최초로 성공했다. 하이브리드 GQD / TiO2 / HNP 포토디텍터는 10V, 275nm, 1.64 mW/mm2 광조사에서 1.58 × 10-5A의 광전류를 나타내었으며 이는 bare TiO2 장치에 비교하여 100배 이상 효율이 증가한 것이다. 제안된 아키텍처는 10V에서 ~ 10-10 A의 낮은 암전류를 보여주었으며 장치는 수백 밀리초 정도의 향상된 상승 및 하강 시간과 함께 우수한 성능을 보여주었다.

(좌) 순다쿤와 박사과정 연구원 / (우) 이지훈 교수

자외선(UV) 광검출은 생물학적 감지, 나노 스코픽 이미징, 화염 모니터링 및 광통신 등의 다양한 응용 분야로 인해 많은 연구가 진행되고 있다. 예를 들면, 바이러스 및 박테리아의 초기 단계 탐지는 생물학적 물질의 자외선(UV) 형광을 기반으로 한 자외선(UV) 탐지 시스템에 의해 성공적으로 증명 되었다. 또한 자외선(UV) 탐지는 산악화재 및 불꽃 경보시스템에서 중요한 역할을 한다. 포토디텍터는 고감도, 빠른 응답, 저비용이 필수 요구사항이며 지금까지 다양한 재료 및 장치 아키텍처가 연구되고 있다. 기존에는 GaN, ZnO, TiO2 및 이종 접합과 같은 넓은 밴드갭 반도체를 기반으로하는 UV 포토디텍터가 주로 연구 되었으며 최근에는 다양한 재료 시스템을 결합한 하이브리드 아키텍처가 뛰어난 광자 흡수, 높은 조정 가능성으로 자외선(UV) 검출에 대한 큰 잠재력을 보여주고 있다. 넓은 반도체 밴드갭, 우수한 전기적 특성, 화학적 안정성 및 상대적으로 저렴한 비용으로 인해 이산화티타늄(TiO2)은 가장 유망한 물질 중 하나이다.

TiO2 기반 UV 포토디텍터는 반도체 양자점과 플라즈모닉 나노 구조를 통합하여 크게 개선 할 수 있다. 특히 금속 나노입자(NP)는 표면에 강력한 전자기장을 나타낼 수 있으며 특정 파장에서 흡수 및 산란이 강화될 수 있는, 국부적인 표면 플라즈몬 공명 (LSPR)으로 인해 UV 조사시 핫캐리어를 생성 할 수 있으며, 이는 인접한 반도체에 의해 추출될 수 있다. 이것은 금속 NPs-반도체 시스템에서 입사 광자를 추출하는 유망한 접근 방식을 제공할 수 있다.

사진 설명: (a) GQD / TiO2 / HNP 하이브리드 포토디텍터상의 그래핀 양자점 (GQD), TiO2 층, PdAg 하이브리드 나노입자 (HNP)를 포함하는 하이브리드 나노아키텍처의 개략도. (b) 하이브리드 포토디텍터의 개략도. (b-1) TiO2 층, TiO2 / HNP 및 GQD / TiO2 / HNP의 AFM 표면 형태. (b-2) HNP, TiO2 / HNP, GQD / TiO2 / HNP의 UV-VIS-NIR 소광 스펙트럼. (c) UV 조명 하에서 다양한 포토디텍터의 광전류 반응. (d) GQD / TiO2 / HNP 하이브리드 포토디텍터 아키텍처에 대한 에너지 밴드 다이어그램의 개략도.

하이브리드 포토디텍터 아키텍처의 향상된 성능은 광활성 TiO2 층에 의해 완전히 캡슐화된 플라즈몬 HNP에서 산란된 광자뿐만 아니라 메타표면 플라즈몬 공명 (LSPR) 유도 핫캐리어의 효율적인 활용에 기인한다. 또한 TiO2에 GQD를 추가하면 추가 광자 흡수 경로를 제공할 수 있다. 제안된 GQD / TiO2 / HNP의 하이브리드 아키텍처는 향상된 자외선 (UV) 광 반응을 위해 플라즈몬 HNP, GQD 및 TiO2의 광자 흡수 및 캐리어 전달 특성의 통합을 보여주며 기존 포토 디텍터에 비해 월등히 높은 효율을 구현하는데 성공했다.

이번 연구의 연구진은 Sundar Kunwar(석박통합과정, 광운대 ？ 제1저자), Sanchaya Pandit (석사, 광운대), Rakesh Kulkarni (박사과정, 광운대), Rutuja Mandavkar (박사과정, 광운대), Shusen Lin (박사과정, 광운대), Ming-Yu Li (교수, 우한공대), Jihoon Lee (교수, 광운대 - 교신저자)이며, 국제공동연구로 진행되었다. Sundar Kunwar 학생은 2015년 광운대 전자과 석박통합과정으로 입학하였으며 현재 박사과정 5년차 연구원이다. 현재까지 Nano-Micro Letters (IF: 12.264) 2편, Small (IF: 11.459) 외 JCR Q1저널의 제1 저자로 10여편의 논문을 출판하였으며, 공동저자로도 20편이상의 논문을 출판하였다. 저널커버 5편 출판, 국제학술대회 수상 등 아주 우수한 실적을 이뤄내고 있다. 박사학위 취득후, 우수한 기관에서 계속 연구를 이어가고 싶다는 멋진 포부를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 중견연구자 지원사업, 중점연구소, BK-21과 광운대학교의 지원으로 수행되었으며 연구결과는 과학전문지 ACS Applied Materials & Interfaces (IF: 8.758) 2021년 01월 05일자 온라인 판에 “Hybrid Nanodevice Architecture exploiting the Photon Absorption Enhancement by Plasmonic Hybrid Nanoparticles, Graphene Quantum Dots and Titanium Dioxide for the UV Photodetector Application”의 제목으로 게재되었다.
* Web link: http://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c19058