서강대학교 물리학과 장준익 교수 연구팀, 

세계 최초로 페로브스카이트에서 이광자 공명 라만 산란 관측

▲ (좌측부터) 서강대학교 물리학과 장준익 교수, 신승한 석박사통합과정, 남서현 석사

서강대학교(총장 심종혁) 물리학과 장준익 교수 연구팀(제1저자: 물리학과 신승한 석·박사통합과정, 남서현 석사)의 연구성과가 지난 3월 25일 응용물리 분야 국제 저명 학술지 Advanced Functional Materials (2025년 기준 JCR Impact Factor 19.0, 상위 4.8%)에 게재됐다. 본 연구는 연세대학교 연구팀과의 공동연구로 수행되었으며, 한국연구재단의 지원(기초연구실 지원사업 및 개인기초연구 지원사업)을 받아 이루어졌다.

스마트폰, 카메라, LED 조명, 태양전지. 이 모든 기술의 핵심에는 ‘빛과 물질의 상호작용’이 있다. 장준익 교수 연구팀은 차세대 반도체 소재로 주목받는 2차원 할라이드 페로브스카이트 (PEA)₂PbI₄에서 세계 최초로 ‘이광자 공명 라만 산란(Two-photon resonant Raman scattering, TRRS)’ 현상을 관측하는 데 성공했다.

쉽게 말해, 빛의 입자인 광자 두 개가 동시에 반도체 물질에 들어가서, ‘쌍엑시톤(biexciton)’이라는 에너지 상태를 거쳐 다시 튕겨 나오면서 원래와는 다른 색의 빛을 만들어 내는 현상에 해당한다. 이는 두 사람이 트램펄린 위에서 동시에 뛰어 한 사람이 더 높이 튀어 오르는 모습에 비유할 수 있는 양자역학적 현상이다. 연구팀은 TRRS 현상이 나타나는 조건, 즉 특정한 빛의 세기(문턱값), 온도 범위, 그리고 빛의 편광 조건을 체계적으로 규명했다.

기존에는 CuCl, CuBr 등 일부 와이드갭 반도체에서 액체 헬륨 온도(영하 269°C 수준)에 가까운 극저온에서만 TRRS 현상이 관측되었다. 그러나 연구팀은 2차원 페로브스카이트의 강한 양자적·유전적 구속 효과를 활용하여, 영하 183°C(약 90K), 즉 액체 질소 온도 이상에서도 이 현상을 구현하는 데 세계 최초로 성공했다. 이는 해당 소재가 매우 뛰어난 비선형 광학 특성을 지니고 있음을 보여준다.

본 연구는 2차원 페로브스카이트가 강한 쌍엑시톤을 기반으로 한 다양한 비선형 광학 현상의 플랫폼으로 기능할 수 있음을 보여준다. 쌍엑시톤 기반 비선형 광신호 처리, 정밀 엑시톤 공명 분광, 양자 광통신 및 광소자 응용 등으로의 확장이 기대되며, 브롬·염소계 페로브스카이트로 소재를 전환할 경우 더 강한 쿨롱 결합으로 인해 보다 높은 온도에서의 TRRS 구현도 가능할 것으로 전망된다. 연구팀은 단층 전이금속 디칼코게나이드 등 여타 2차원 소재로의 확장 가능성 또한 제시하며, 궁극적으로 상온 동작 쌍엑시톤 기반 양자 광학 소자 개발을 향한 중요한 이정표를 마련했다.

▶논문 제목: Observation of Two-Photon Resonant Raman Scattering via the Biexciton Level in Two-Dimensional Halide Perovskite (C6H5C2H4NH3)2PbI4

▶논문 링크 바로가기: https://doi/10.1002/adfm.75110