연구개요 열의 전달자인 포논의 관점에서, 포논 파장보다 작은 스케일의 전자소자 활성층에서는, 포논의 입자성에 기반한 푸리에 법칙을 따르지 않고 파동성을 따르는 새로운 양자 물성이 구현됨. 이에 따라, 포논을 파동적 관점에서 해석하는 이론 정립 및 해석 기법 개발이 필요함. 구체적으로, 포논의 위상을 수학적으로 기술하고, 포논 신호의 위상 해석을 통해 포논의 산란 시간과 포논 위상 사이의 관계를 정립함. 더 나아가, 위상이 결맞는 포논을 활용한 포논 메타소재인 포논 Distributed Bragg Reflector(DBR)을 구현하고, 이를 활용하여 포논 전파를 인위적으로 조절하여 물질의 열 전달 특성 조절이 가능함을 실험적으로 증명함. 또한, 열 제거의 새로운 기법이 될 수 있는 전자-포논 상호작용에 의한 전자기파 발진을 실험적으로 확인하고 이론적 모델을 정립함. 연구 목표대비 연구결과 나노스케일 포논-광자 상호작용의 규명을 위해, 포논의 위상 해석 및 포논-광자 상호작용에 의한 전자기파 발진의 이론적 모델을 정립하고 실험적으로 규명함. 구체적으로, 포논 위상의 수학적 기술 및 정량화를 기반으로 포논 신호 위상 해석을 통해 포논의 산란 시간과 포논 위상의 관계를 정립함. 특히, 포논 위상의 변화에서 정량화되는 디페이징 시간(dephasing time)으로부터 고체의 포논 산란 시간을 주파수의 함수로 측정하고, 나노 구조에서의 소재의 열 전도도의 실험적 규명의 방법론을 제시함. 더 나아가, 포논-전자의 상호작용에 의한 전자기파 발진의 이론적 모델을 제시하고 이를 실험적으로 규명함. 이러한 결과는, 향후 반도체 물질에서 새로운 열 제거기법으로 활용 가능할 것으로 기대됨. 상기의 이론 정립을 토대로, 포논 위상의 결맞음을 활용한 포논 위상 메타소재를 구현하여 열 전달 특성을 인위적으로 조절 가능함을 확인함. 구체적으로, 주기적인 구조에서 포논 파동의 중첩을 활용한 포논 DRB을 성장하여 특정 주파수의 포논이 반사될 수 있는, 포논 메타물질을 구현하였으며, 이러한 물질에서 열전도도 측정 기법을 활용하여 포논 DRB에 의한 열 전달 특성(계면 및 수직 방향 열 전도도)의 조절이 가능함을 실험적으로 입증함. 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성) 나노스케일에서 포논의 파동적 특성을 활용하여 새로운 열 전달 해석 방법을 제시하고, 고체의 열 전달 특성을 결정하는 포논(원자의 진동에 대한 물리학 개념)을 조절하는 분야를 개척함. 구체적으로, 포논 메타소재를 활용하여 인위적으로 열 전달을 조절하였으며, 이러한 연구는 추후 반도체에서 주된 열 전달자인 2~5 THz 포논의 전파 특성 조절에도 활용 가능함. 한편, 열 제거의 새로운 기법이 될 수 있는 전자-포논 상호작용에 의한 전자기파 발진을 규명함. (출처 : 요약문 2p)
- 연구책임자 : 조영달
- 주관연구기관 : 광주과학기술원
- 발행년도 : 20210300
- Keyword : 1. 포논 파동성;포논 위상;포논 메타소재;열 전도도;전자기파 발진; 2. Phonon wave property;Phonon phase;Phonon meta-material;Thermal conductivity;Terahertz radiation;
