태양 전지 및 배터리 역할을 모두 하는 장치
Focus: Device Acts as Both Solar Cell and Battery

새로운 광전 소자는 빛을 전하로 변환하여 무한정 저장할 수 있다.

빛 에너지를 전기로 변환하는 광전 소자는 청정에너지 기술에 필수적인 역할을 한다. 그것들은 종종 포획된 에너지를 저장하는 배터리와 결합될 필요가 있는데 연구원들은 이제 광전하 생성과 전하 저장을 결합한 장치를 만들었다. 들뜬 전자는 전류로 방전될 때까지 적어도 1주일 동안 유지될 수 있다. 연구팀은 그 장치가 에너지 생성, 광검출기, 또는 빛 기반의 기억 소자에 사용될 수도 있다고 말한다.

좋은 광전 소자는 거의 모든 광자를 흡수할 때마다 전류에 전하 나르개를 기여한다; 즉 높은 “외부 양자 효율(EQE)”을 가지고 있다. 문제는 음전하를 띤 전자와 광자에 의해 생성된 양전하를 띤 양공이 생성 직후 재결합하는 경우가 많다는 점이다. 장치의 EQE를 증가시키는 한 가지 방법은 재결합이 일어나기 전에 예를 들어 결정 결함에 전하 나르개를 일시적으로 가두는 것이다.

중국 Suzhou 과학기술대학교의 Yucheng Jiang과 그의 동료들은 두 물질이 상대적으로 약한 반 데르 발스 상호작용에 의해 접촉하는 반 데르 발스 이종 접합이라고 불리는 소자에 이 전략을 사용하기 시작했다. 그들은 반도체 물질인 이셀레늄화 텅스텐과 투명 도체 티타늄산 스트론튬(STO)을 사용했다. 연구팀은 STO 표면에 표면 처리를 통해 거의 2차원 “전자 기체”(전자가 자유롭고 독립적으로 움직이는 상태)를 만들어냈다. 전자 기체를 이러한 이종 접합의 구성 요소 중 하나로 사용하는 것은 새로운 일이었고 소자의 새로운 특성으로 이어졌다.

두 물질 사이의 경계면 영역은 태양 전지의 일반적인 구조인 소위 p-n 접합을 형성한다. 일반적으로 광자는 전압에 의해 분리될 수 있는 전자-양공 쌍을 생성하지만 일부는 불가피하게 재결합한다. Jiang과 동료들은 그들의 구조에서 재결합이 다른 p-n 광기전 소자보다 더 느리게 일어날 수 있기를 희망하였다. 하지만 놀랍게도, 그들은 광유도된 전하 나르개가 매우 오랫동안 지속될 수 있다는 것을 발견했다. 파란색 레이저로 소자를 비추고 최대 7일 동안 30 K의 온도에서 어두운 곳에 보관한 뒤 회로에 연결하면 큰 전류(2.9 밀리암페어)를 뽑아낼 수 있었다. 마음대로 충전하고 방전할 수 있는 배터리에 담기라도 한 듯 눈에 띄는 성능 저하 없이 빛에 의해 자극된 전하를 보관하고 있었다. 그들은 이 새로운 현상을 충전 가능한 광전도라고 이름 지었다.

연구자들은 이 포획이 STO 결정과의 경계에 인접한 공간 전하 영역이라고 불리는 이셀레늄화 텅스텐 박막의 일부에서 일어난다고 생각한다. 여기서 빛에 의해 유도된 양공은 충분히 큰 전압이 가해질 때까지 모아지고 유지될 수 있다. 그러면 소자는 빛에 의해 다시 충전될 준비가 된다. 소자의 EQE는 93.8%인 반면, 많은 광전지는 EQE가 50% 이상이면 “고성능”으로 간주된다. 그러나 저장된 전하를 안정적으로 유지하기 위해 소자를 약 30 K로 냉각시켜야 하는 필요성은 다른 물질을 사용하여 작동 온도를 크게 높일 수 있는 개선이 없으면 특정 응용에만 제한될 수 있다고 Jiang은 말한다.

이 이종 접합 소자는 광 기억장치로 역할할 수 있다. 정보는 빛 펄스로 입력되고 전류 펄스로 읽어질 때까지 저장된다. “우리는 이 안정성의 한계가 무엇인지 모르지만, 저장 수명은 거의 무한하다고 생각합니다”라고 Jiang은 말한다. 다른 적층 재료들은 이전에 빛유도 저장 능력을 가진 이종 접합 소자를 만드는 데 사용되어 왔다. 그러나 Jiang은 이러한 경우 포획 과정이 보다 강력한 함정(결정의 결함 자리의)과 관련되기 때문에 쉽게 켜지거나 꺼지지 않는다고 말한다.

중국 Beihang 대학의 재료 엔지니어 Zimei Sun은 관찰된 효과가 중요할 수 있지만, 연구원들이 메커니즘을 완전히 이해한다는 것을 확신하기 위해서는 더 많은 데이터를 볼 필요가 있다고 말한다.

저차원 나노전자 소재 전문가인 미국 Illinois주 Northwestern 대학의 Mark Hersam은 “이 논문은 광전 변환과 저장을 위한 새로운 장치 구조를 제시한다”고 말했다. 그는 “반 데르 발스 소재 분야가 점점 더 많은 다른 종류의 소재들을 포함하는 이종 구조를 형성할 수 있는 기회를 활용하기 때문에 이러한 유형의 작업은 앞으로 더 정교해질 것 같다”고 말한다.

Coexistence of Photoelectric Conversion and Storage in van der Waals Heterojunctions, Yucheng Jiang et al., Phys. Rev. Lett. 127, 217401 (2021), Published November 19, 2021.

압력을 받는 철의 관찰
Synopsis: Observing Iron Under Pressure

펨토초 분해 X선 회절 이미지는 철 결정이 극한의 하중 하에서 변형될 때 물질의 탄성-소성 전이가 놀랍도록 긴 탄성 상 이후에 발생한다는 것을 보여준다.

물질이 극단적인 부하에 어떻게 반응하는지 아는 것은 제트 엔진의 잔해 충격에서 행성 형성에 이르는 현상을 이해하는 데 필수적이다. 그러나 물질 반응을 포착하는 데 있어 실험적인 어려움은 경험적 데이터가 불완전하다는 것을 의미한다. 대신, 물질 행동은 일반적으로 이론적으로 예측되어야 한다. 이제, 프랑스 Lille 대학의 Sébastien Merkel과 동료들은 철의 결정 구조가 높은 변형률로 변형되면서 어떻게 진화하는지 직접 관찰함으로써 이론에 매우 필요한 근거 자료를 제공했다.

연구팀은 두께 50 mm의 고분자 박막을 두께 25 mm의 철박에 고정시킨 뒤 12 ns 레이저 펄스로 고분자를 폭파해 철에 충격파를 가했다. 연구자들은 각 표본에 대해 펨토초 X선 회절을 사용하여 철 결정의 구조와 방향, 충격파에 의해 전달되는 응력의 단일 스냅샷을 촬영했다. 일련의 실험을 통해 펄스 측정 간격을 변화시킴으로써, 그들은 응력이 어떻게 발달하고 철 결정이 변형되는지에 대한 시간 분해 기록을 만들었다.

처음에는 연구팀이 일어날 것으로 예상했듯이 충격파는 철의 구조를 체심 입방에서 육방 밀집으로 바꾸었다. 육방 구조는 항복이 일어나기 전 수 나노초 동안 탄성 변형되었고, 그 후 쌍정으로 재배열함으로써 변형을 수용했다. 이 과정은 응력이 항복 응력에 미치지 못한 이후에도 계속되었다. 항복하는 시간과 메커니즘 모두 이전에는 알려지지 않았다. Merkel과 그의 동료들은 관측된 “탄성 지나침”을 탄성 상(쌍정이 시작됨을 통하여 변형이 모일 수 있을 때만)에서 쌍정 핵이 상대적으로 느리게 모이기 때문이라고 본다.

Femtosecond Visualization of hcp-Iron Strength and Plasticity under Shock Compression, Sébastien Merkel et al., Phys. Rev. Lett. 127, 205501 (2021), Published November 9, 2021.

기하급수적으로 증가하는 암흑 물질
Synopsis: Exponentially Growing Dark Matter

새로운 모델은 초기 우주에서 기존의 물질이 암흑물질로 변환된다는 것을 제안함으로써 암흑물질의 현재 밀도를 설명한다.

우주론자들은 우주 마이크로파 배경(CMB)을 관찰함으로써 우리 우주에 암흑물질이 얼마나 있는지 추론한다. 암흑물질 이론이 실현되기 위해서는 암흑물질 밀도를 재현할 수 있어야 한다. 이제 노르웨이 University of Oslo의 Torsten Bringmann과 동료들은 우리 우주가 현재의 암흑 물질 밀도에 도달했을 수 있는 새로운 메커니즘을 제안한다.

오늘날의 암흑 물질 밀도에 대한 설명은 일반적으로 동결-나감 또는 동결-들어옴 모델과 관계된다. 동결-나감 모형에서 많은 양의 암흑 물질은 초기 우주의 표준 모형 입자의 플라즈마와 평형을 이룬다. 우주가 팽창하고 냉각되면서 암흑물질의 밀도가 현재의 수준으로 감소할 때까지 암흑물질 입자를 파괴하는 과정이 암흑물질 입자를 생성하는 과정을 앞지른다. 동결-들어옴 모형에서 우주는 암흑 물질이 거의 또는 전혀 없는 상태에서 시작되며 표준 모형 입자의 플라즈마는 밀도가 현재의 수준에 도달할 때까지 암흑 물질을 생성한다.

Bringmann과 동료들은 암흑 물질의 밀도에 대한 또 다른 궤적을 제안한다. 그들은 초기 우주 소량의 암흑물질이 표준 모형 입자와 상호작용하여 암흑물질 입자로 변화할 수 있다고 주장한다. 표준 모형 입자를 암흑 쪽으로 변환하고, 새로운 신참자들이 다른 표준 모형 입자들에게도 똑같이 할 수 있게 함으로써, 암흑 물질은 동결-들어옴 모형보다 훨씬 더 빠르게 만들어질 수 있었고, 이렇게 밀집된 초기 환경에서 기하급수적으로 성장할 수 있었다. 이 과정은 우주가 팽창함에 따라 자연적으로 느려졌다가 멈추게 되고, 결국 오늘날 우리가 관측하는 암흑물질 밀도에 도달하게 된다. 연구진은 이러한 역사는 CMB의 세기 스펙트럼과 현재 우주의 다른 특성에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 미래의 관측에 의해 이러한 잠재적 메커니즘이 뒷받침되거나 배제될 수 있다는 것을 의미한다고 말한다.

Dark Matter from Exponential Growth, Torsten Bringmann et al., Phys. Rev. Lett. 127, 191802 (2021), Published November 3, 2021.