화학과 이진용 교수 연구팀(공동 제1저자 김현동 박사과정)은 김지희(부산대학교) 교수가 이끄는 연구팀과 공동연구를 통해 몰리브데넘 이황화물(MoS2)과 금 이종구조의 접합 패턴에 따른 photocarrier dynamics를 규명했다. 해당 연구는 “Ultrafast Hot Carrier Extraction and Diffusion in MoS2/Au van der Waals Electrode Interface” 라는 제목으로 2025년 1월 1일 Science Advances (IF: 11.7)에 게재되었다.

금속 전극은 발광다이오드, 광감지기, 태양전지 등 특정한 전기적 특성을 요구하는 분야에 활용된다. 이 전기적 특성을 조절하는 유용한 방법 중 하나는 반도체 물질과 접합시켜 혼성화시키는 것인데, 이는 접합면의 midgap 상태 또는 반도체 물질의 결함을 유발시키고 photocarrier 수명을 단축시킬 위험이 있다. 이 연구에서는 접합면의 패턴을 각기 다르게 하여 금 단일층이 유도하는 photocarrier 재결합, 이동 및 확산과 같은 dyanmics를 탐구하였다.

이 연구에서는 1. 정상 접합(deposited), 2. 거친 표면 접합(rugged), 3. 평탄면 접합(flat)의 세 가지 경우에 대해 pump-probe 분광법을 활용하여 photocarrier dynamics를 속도론적으로 분석했다. 그 결과 photocarrier의 수명은 평탄면 접합의 경우 가장 길고 정상 접합의 경우 가장 짧은 것으로 나타났다. 이를 바탕으로 각 경우의 photocarrier dynamics를 예상하였다. 이진용 교수팀은 이들 표면구조에 대해 밀도범함수이론(DFT) 계산을 기반으로 전자 띠 구조 계산 및 전이 쌍극자 모멘트 계산 등을 통해 각 구조의 띠 틈(band gap)을 정량적으로 계산하고 전기적 특성을 규명하였다. 정상 접합 구조에서 높은 전이 쌍극자 모멘트로 인한 전자-정공 재결합 촉진으로 인해 photocarrier 수명이 짧아지는 이론적 근거를 제시하였다. 본 연구에서 확인한 바와 같이 금속 전극 위의 각기 다른 반도체 증착 방법이 실제 산업 현장에서도 띠 틈 조절 용도로 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

*논문명:Ultrafast Hot Carrier Extraction and Diffusion in MoS2/Au van der Waals Electrode Interface