[장소연 교수] 냉각장치 없는 적외선 센서를 가능하게 한 원자단위 리프트-오프 기술 개발 (Nature 게재)
Atomic lift-off of epitaxial membranes for cooling-free infrared detection
장소연 교수는 매사추세츠공과대학교(MIT)를 중심으로 한 연구팀과의 국제공동연구를 통해 별도의 냉각 장치 없이도 작동 가능한 세계 최고 성능의 적외선 센서를 구현하는 데 핵심적인 박막 박리 기술을 개발하는 데 성공하였다. 이 센서는 두께가 머리카락의 1/100 수준에 불과한 초박형 산화물 박막(membrane)을 기반으로 하며, 기존 센서보다 작고 가벼우면서도 감도는 크게 향상됐다.
또한 산화물 박막을 생성하기 위해 버퍼층 없이 분리가능한 ALO 기술을 소개하고 시연하였다. Pb(납)에 의해 유도된 약한 공유결합으로 인한 계면을 활용하여 대면적 고품질 초박막 페로브스카이트 박막을 제작하는 데 성공하였으며, 높은 균일성과 우수한 결정성을 확인하였다. 또한, 스폴링(spalling) 모델을 바탕으로 ALO를 구현하기 위한 응력 조건에 대한 기준을 제공하였으며, 이 기준에 따라 원자 수준의 정밀도로 균열이 전파됨을 보였다. 본 연구 기술을 응용하여 역대 최고 수준의 파이로일렉트릭 계수를 달성하였으며, 이를 기반으로 높은 수율의 파이로일렉트릭 소자를 제작해 기존의 HgCdTe 기반 소자의 성능을 능가하는 냉각이 필요치 않은 FIR(원적외선) 검출기를 구현하는데 성공했다. 전반적으로, 본 기술은 프리스탠딩 단결정 산화물의 기초 연구와 산업적 응용 모두에 새로운 가능성을 제공할 것이다.
장소연 교수는 매사추세츠공과대학교(MIT)를 중심으로 한 연구팀과의 국제공동연구를 통해 별도의 냉각 장치 없이도 작동 가능한 세계 최고 성능의 적외선 센서를 구현하는 데 핵심적인 박막 박리 기술을 개발하는 데 성공하였다. 이 센서는 두께가 머리카락의 1/100 수준에 불과한 초박형 산화물 박막(membrane)을 기반으로 하며, 기존 센서보다 작고 가벼우면서도 감도는 크게 향상됐다.
또한 산화물 박막을 생성하기 위해 버퍼층 없이 분리가능한 ALO 기술을 소개하고 시연하였다. Pb(납)에 의해 유도된 약한 공유결합으로 인한 계면을 활용하여 대면적 고품질 초박막 페로브스카이트 박막을 제작하는 데 성공하였으며, 높은 균일성과 우수한 결정성을 확인하였다. 또한, 스폴링(spalling) 모델을 바탕으로 ALO를 구현하기 위한 응력 조건에 대한 기준을 제공하였으며, 이 기준에 따라 원자 수준의 정밀도로 균열이 전파됨을 보였다. 본 연구 기술을 응용하여 역대 최고 수준의 파이로일렉트릭 계수를 달성하였으며, 이를 기반으로 높은 수율의 파이로일렉트릭 소자를 제작해 기존의 HgCdTe 기반 소자의 성능을 능가하는 냉각이 필요치 않은 FIR(원적외선) 검출기를 구현하는데 성공했다. 전반적으로, 본 기술은 프리스탠딩 단결정 산화물의 기초 연구와 산업적 응용 모두에 새로운 가능성을 제공할 것이다.
Recent breakthroughs in ultrathin, single-crystalline, freestanding complex oxide systems have sparked industry interest in their potential for next-generation commercial devices. However, the mass production of these ultrathin complex oxide membranes has been hindered by the challenging requirement of inserting an artificial release layer between the epilayers and substrates. Here we introduce a technique that achieves atomic precision lift-off of ultrathin membranes without artificial release layers to facilitate the high-throughput production of scalable, ultrathin, freestanding perovskite systems. Leveraging both theoretical insights and empirical evidence, we have identified the pivotal role of lead in weakening the interface. This insight has led to the creation of a universal exfoliation strategy that enables the production of diverse ultrathin perovskite membranes less than 10 nm. Our pyroelectric membranes demonstrate a record-high pyroelectric coefficient of 1.76 × 10−2 C m−2 K−1, attributed to their exceptionally low thickness and freestanding nature. Moreover, this method offers an approach to manufacturing cooling-free detectors that can cover the full far-infrared spectrum, marking a notable advancement in detector technology.
X. Zhang, O. Ericksen, S. Lee, M. Akl, M.-K. Song, H. Lan, P. Pal, J. M. Suh, S. Lindemann, J-E. Ryu, Y. Shao, X. Zheng, N. Han, B. Bhatia, H. Kim, H. Kum, C. S. Chang* , Y. Shi*, C. -B. Eom*, and J. Kim* (Nature, Online publication scheduled for 4/23 12:00am)
X. Zhang, O. Ericksen, S. Lee, M. Akl, M.-K. Song, H. Lan, P. Pal, J. M. Suh, S. Lindemann, J-E. Ryu, Y. Shao, X. Zheng, N. Han, B. Bhatia, H. Kim, H. Kum, C. S. Chang* , Y. Shi*, C. -B. Eom*, and J. Kim* (Nature, Online publication scheduled for 4/23 12:00am)
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08874-7