광 펌프-테라헤르츠 프로브 측정을 이용한 단일층 MoS2의 초고속 전하 운반자 동역학 연구

Abstract

이황화 몰리브덴(MoS2)와 같은 단일층 전이금속 칼코겐화합물(TMDC)은 반도체 특성을 가지는 이차원 물질의 일종으로서, 직접 천이 밴드 갭을 가지며 독특한 밸리 물리 현상이 보고되어 광소자로서의 응용 가능성이 매우 높아 활발한 연구가 진행되고 있다. 전이금속 칼코겐화합물의 실제적 응용에 앞서 빛에 의해 여기된 전하 운반자들에 대한 기초적 동역학 연구가 반드시 선행되어야 한다. 본 연구에서는 빛에 의해 초고속으로 여기되었다 사라지는 전하 운반자를 관측하기 위해 광 펌프-테라헤르츠 프로브 측정 방법을 도입하였다. 단일층 MoS2 샘플은 화학 증기 증착법으로 합성되어 석영 기판에 전사된 것을 사용하였다. 광 펌프로서 150 fs의 폭을 가지는 480 nm 파장의 펄스 레이저를 사용하였다. 광 펌프가 입사할 때 일시적인 테라헤르츠 프로브의 투과도 감소가 관측되었는데, 이는 MoS2 샘플에 전하 운반자가 여기되었음을 증명한다. 시간에 따른 전하 운반자 집중도의 감소 역시 관측되었고, 감소 추이는 두 개의 시간 상수(t1 = 2.11 ps, t2 = 39.8 ps)를 가지는 이중 지수함수로 표현되었다. 광 펌프에 의해 유도된 광대역 전기 정도도를 얻기 위해 테라헤르츠 시간 영역 신호를 측정하였다. 테라헤르츠 대역에서 계산된 전기 전도도의 분산은 Drude 모델로 설명이 가능하였다. 전자와 양공의 이동도는 각각 806 cm^2·V-1·s-1, 1036 cm^2·V^-1·s^-1로 계산되었다. 본 연구의 결과는 단일층 MoS2에서 빛에 의해 여기된 전하 운반자들의 시간에 따른 움직임에 대한 정보를 제공하여, 향후 전이금속 칼코겐화합물의 밸리 물리 현상 및 광특성을 연구하는데 도움이 될 것이다.