Mid-infrared distributed-feedback lasing from black phosphorus under nanosecond excitation
이 논문은 실리콘 포토닉스 격자 위에 흑린을 통합하여 나노초 여기 조건에서 낮은 레이징 임계값을 달성하고 실리콘 포토닉스와의 이종 집적을 위한 유망한 플랫폼을 제공하는, 상온 가변형 중적외선 분포 피드백 레이저를 입증한다.
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중적외선 스펙트럼의 중간 부분에서 이동하는 빛은 보이지 않는 것을 보기 위한 강력한 도구입니다. 인간의 눈이 볼 수 있는 범위를 바로 넘어 위치한 이 특정 대역의 빛은 대기 중을 쉽게 통과하며 분자의 화학 결합과 강하게 상호작용합니다. 이 때문에 과학자들과 엔지니어들은 대기 중의 오염 물질을 탐지하거나, 호흡 분석을 통해 질병을 진단하거나, 장거리 무선 데이터 통신을 하기 위해 이 빛을 생성할 수 있는 신뢰할 수 있는 광원을 오랫동안 찾아왔습니다. 수십 년 동안 이 빛을 생성하는 장치들은 다루기가 까다로웠습니다. 이 장치들은 대개 서로 다른 결정 재료들을 원자 단위의 정밀도로 함께 성장시켜야 하는 복잡한 결정 층들로 만들어집니다. 이러한 전통적인 레이저들은 성능은 뛰어나지만, 엄격한 제조 요구 사항 때문에 현대 전자 기기를 구동하는 실리콘 칩과 결합하기가 어렵습니다. 이 간극을 메우기 위해 연구자들은 새로운 종류의 재료에 주목했습니다. 그것은 바로 밑바탕이 되는 결정 구조를 완벽하게 맞출 필요 없이, 마치 스티커처럼 떼어내어 거의 어떤 표면에도 붙일 수 있는 얇고 유연한 원자 시트입니다.
이러한 시트 형태의 재료들 중에서 흑린(black phosphorus)은 중적외선을 생성하는 데 특히 유망한 후보로 떠올랐습니다. 좁은 범위에서만 작동하는 다른 많은 재료와 달리, 흑린은 두께를 조절함으로써 다양한 색상의 빛을 방출하도록 튜닝할 수 있습니다. 하지만 이 재료를 실용적인 레이저로 만드는 것은 하나의 도전 과제였습니다. 이전의 실험들은 흑린이 레이저 빛을 만들어낼 수 있음을 보여주었으나, 이는 단 1,000조 분의 1초 동안 지속되는 극도로 짧고 강렬한 에너지 폭발이 가해질 때만 가능했습니다. 이러한 찰나의 펄스는 유지하기 어려운 혼란스럽고 수명이 짧은 들뜬 입자 상태를 만들어냅니다. 실제 세계의 장치로 나아가기 위해, 연구자들은 흑린이 표준 전자 기기가 다룰 수 있는 수준에 더 가까운, 즉 펄스 지속 시간이 1,000배 더 긴 조건에서도 레이저 발광(lasing)을 할 수 있다는 것을 증명해야 했습니다.
폴리테크닉 몽레알(Polytechnique Montréal)의 연구팀은 이제 바로 그 사실을 입증해 냈습니다. 그들은 미세한 능선이 새겨진 실리콘 이산화물 격자 위에 흑린의 얇은 조각을 직접 배치하여 레이저를 제작했습니다. 이 격자는 빛을 얇은 시트 안에 가두는 거울 역할을 하여, 빛이 집중된 빔으로 탈출할 만큼 충분한 에너지를 쌓을 때까지 계속해서 반사되도록 강제합니다. 연구팀은 흑린의 결정 구조를 격자의 능선과 정교하게 정렬함으로써 빛을 효율적으로 유도할 수 있었습니다. 장치에 10억 분의 1초 동안 지속되는 레이저 펄스를 가했을 때, 흑린은 중적외선 영역에서 날카롭고 좁은 빛의 빔을 방출하며 반응했습니다. 이 빛의 색은 고정되어 있지 않았습니다. 연구진은 서로 다른 두께의 조각들을 사용하여 출력을 3.79에서 4.05 마이크로미터 사이의 파장으로 튜닝할 수 있었으며, 이는 센싱 응용 분야를 위한 중요한 창을 커버합니다.
이 새로운 레이저의 성능은 특히 레이저 발광을 시작하는 데 필요한 에너지량 측면에서 인상적이었습니다. 상온에서 이 장치는 제곱센티미터당 단 0.25 밀리줄의 펌핑 에너지로 레이저 발광을 시작했습니다. 이는 놀라울 정도로 낮은 임계값이며, 이 재료가 에너지를 빛으로 변환하는 데 매우 효율적임을 시사합니다. 연구진이 장치의 온도를 110 켈빈으로 낮추었을 때, 레이저를 시작하는 데 필요한 에너지는 10분의 1인 0.015 밀리줄/cm²로 떨어졌습니다. 이러한 극적인 개선은 이 재료의 빛 생성 능력이 상온에서는 열 및 입자 상호작용에 의해 제한되지만, 더 차가운 환경에서는 탁월한 성능을 발휘한다는 것을 나타냅니다. 또한 이 연구는 흑린 조각의 두께가 결정적인 역할을 한다는 것을 밝혀냈습니다. 더 두꺼운 조각이 빛을 더 효과적으로 가두었으며, 이는 레이저 발광 상태에 도달하는 데 필요한 에너지를 낮추는 데 도움이 되었습니다.
이 연구는 소형화되고 통합된 광원의 개발에 있어 중요한 진전을 의미합니다. 흑린이 나노초 단위의 여기(excitation) 조건에서도 레이저 빛을 생성할 수 있음을 증명함으로써, 연구진은 이 재료를 외부 레이저 대신 일정한 전류가 장치를 구동하는 전기적 작동 조건에 더 가깝게 만들었습니다. 복잡한 결정 성장 없이 이 레이저들을 실리콘 칩에 직접 통합할 수 있는 능력은 새로운 세대의 센서와 통신 도구의 문을 열어줍니다. 현재의 실험은 광학 펌핑에 의존하고 있지만, 여기서 달성한 낮은 에너지 임계값은 완전한 전기적 버전의 레이저가 현실적인 가능성임을 시사하며, 중적외선 센싱의 힘을 훨씬 더 넓은 범위의 일상 기술로 가져올 수 있게 해줄 것입니다.
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