하드 및 소프트 반도체의 혼합으로 제작된 하이브리드 광전자디바이스는 두 물질 종류의 특성을 결합할 수 있으며, 그 결과 새로운 기능과 특성을 가진 디바이스 제작을 가능하게 해준다. 예를 들면 값싸고 확대 생산이 가능한 공정 방법을 제공하여 줄 수 있는 것이다. 그러나 그와 같은 디바이스의 효율은 전하 이동에 의존하는 물질 부품 사이의 전자 통신이 느리게 됨으로써 제한될 수 있다는 문제점이 있다.

푀르스터 공명 에너지 전이(FRET)라고 불리는 현상이 최근 이론적으로 예측되었으며 실험적으로 유기 양자 우물과 소프트 반도체 박막을 결합한 하이브리드 구조에서 실험적으로 관측되었다. FRET는 전자를 기여하는 도너 분자에서 전자를 받는 엑셉터 분자로 나노미터 스케일 상에서 발생하는 에너지 전이이다. 이 프로세스는 전자 이동보다는 에너지 전이를 촉진시켜 경계면에서 전하 재결합에 의해 야기되는 손실의 일부를 피할 수 있게 해주는 접촉 없는 경로를 제공해준다.

이제 그리스 시프루스 대학의 연구진은 발광 폴리머로 질화 양자 우물의 구조에서 RFET에 영향을 미치는 다양한 전자 및 전자구조 매개변수를 전반적인 연구를 통해 밝혀내었다. 이들의 연구에 기반하여, 연구진은 에너지 전이 프로세스를 최적화할 수 있는 공정을 의논하였으며 실제 디바이스에서 푀르스터 메커니즘의 한계의 의미를 확인하였다. 이 연구는 고효율 LED와 태양전지와 같은 새로운 디바이스를 개발하기 위한 방법이 될 수 있는 하이브리드 구조를 가진 FRET를 이해할 수 있게 해주었다. 

이론 및 실험 연구는 에너지가 푀르스터 메커니즘을 통하여 하이브리드 반도체를 가로질러 효율적으로 전이될 수 있다는 것을 보여주었다. 그러나 그와 같은 하이브리드에서 많은 물질과 구조 매개변수가 어떻게 FRET에 영향을 미치는지에 대해서는 잘 알려져 있지 않고 있다. 이들 연구는 처음으로 제작, 이론적 모델링 그리고 광학적 분광기를 통하여 이 문제에 대해서 전반적인 이해를 가능하게 하였다.

이들 연구진은 체계적인 방법으로 FRET 효율을 최적화하였다. 이 프로세스는 여러 메커니즘을 이해할 수 있게 해주었으며 하이브리드 평면 구조에서 에너지 전이 효율을 제한하는 메커니즘을 식별할 수 있게 해주었다. 이들의 연구 결과, FRET를 최적화시킬 수 있는 하이브리드 구조를 디자인하는 것이 가능해졌다.

이들 연구진은 질화물에 기반한 구조를 연구하였다고 말하였다. 그 이유는 이 물질이 잘 연구되었으며 청색 발광 LED와 같은 새로운 응용에 사용되었기 때문이라고 덧붙였다. 그러나 이 질화물 구조의 기능은 광발광 폴리머와 같은 다른 소프트 반도체와 결합됨으로써 향상될 수 있다. 스펙트럼 조율성과 높은 광흡수 그리고 폴리머의 발광 효율은 청색 질화물 발광의 효율 저하를 연구하는데 사용될 수 있으며 그 결과 효율적인 하이브리드 LED 개발이 가능하게 될 것이라고 이들 연구진은 말하였다.

나노스케일 근접은 두 물질의 여기 상태 사이의 효율적인 상호작용을 촉진시켜 여기의 고유 재결합과 경쟁할 수 있는 빠른 푀르스터를 가능하게 해준다고 연구진은 설명하였다. 푀르스터 공명 에너지 전이는 매우 강한 거리 의존 프로세스이며 전형적으로 1에서 10나노미터 스케일 상에서 발생한다. 에너지 전송의 무접촉 경로는 전하 재결합과 연계된 에너지 손실을 피할 수 있게 해준다. 

이들 연구진은 성장 온도, 재료 조성비, 그리고 양자 우물의 두께 그리고 질화물 구조의 광전 특성 장벽등과 같은 매개변수의 영향을 연구하였다. 너비를 줄여 양자 제한을 향상시키는 것이나 양자 우물 장벽의 증가는 우물 방출을 증가시킨다. 이들 연구진은 그들의 연구는 질화물 양자 우물의 루미네슨스 효율과 하이브리드 구조의 FRET 효율 사이에 강한 연관 관계가 있다는 것을 보여주었다고 말하였다. 이런 상관 관계는 잠재적으로 에너지 억셉터 물질의 부재 속에서 에너지 도너의 루미네슨스 효율을 최적화함으로써 간단한 FRET 최적화 방법을 잠재적으로 제공하여 줄 수 있을 것이라고 이들 연구진은 말하였다.

이들 연구진은 그들의 연구가 질화물 양자 우물과 폴리머 박막 사이의 경계층의 전자 주입이 FRET의 효율을 감소시킨다는 것을 보여준다고 말하였다. 이것은 그와 같은 하이브리드 구조를 실제 전자 디바이스에 구현시키는데 잠재적인 제한을 줄 수 있다. 이들 연구진은 더 많은 연구를 통해서 FRET의 주입 영향을 정확히 알아야 할 것이라고 말하였다. 이들 연구진은 푀르스터 공명 에너지 전이의 특성에 영향을 주는 전자 주입을 통한 메커니즘 조사를 위해 주입된 질화물 양자 우물에 기반한 하이브리드 구조를 체계적으로 연구할 예정이다. 

이들의 연구 결과는“Forster resonant energy transfer from an inorganic quantum well to a molecular material: Unexplored aspects, losses, and implications to applications,” 제목으로 The Journal of Chemical Physics 저널에 발표되었다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』