Reconfigurable photonic devices operating at visible and near infrared (NIR) regime are necessary in various applications such as memories, displays, sensors and integrated photonics. The essential parts of these devices are tunable structures or active photonic materials. Opto-mechanical devices undergo structural change and show high optical performances than that of electro-optical devices. However, even with advancements of nanotechnology, these devices suffer from bulky sizes and complex fabrication processes. Electro-optical materials are cost-effective, high-speed, integrable in a small-scaled device, but, the tunabililty is low due to small change. Germanium-antimony-tellurium (GST)-based phase-change materials show high reconfigurability due to large refractive change in broadband optical regime. However, these involve time-temperature transformation with high-power consumptions. Seeking for novel active photonic materials, molybdenum ditelluride (MoTe$_2$) can be switched from semiconductor to semi-metal and is considered to be next phase-changing platform due to its small-thickness, low-power consumptions and large optical change. However, molybdenum ditelluride is not yet fully understood in an optical manner and its phase-changing optoelectronic application is not demonstrated.We perform optical characterization of phase-changing molybdenum ditelluride with various methods. Raman spectroscopic measurement is used to fully investigate phononic modes of semiconductor (2H) and semi-metallic (1T’) phases. Temperature-resolved Raman inspection reveal 2H and 1T’ mixed phase and show phase hysteresis along various temperatures. Based on Raman inspection, we extract complex refractive indices of 2H- and 1T’-phases of MoTe$_2$. The reflectance of each phase is measured in various thicknesses. Through characterization matrix formalism, reflectance is fitted through parametrization of complex dielectric functions. The contrast of refractive index is distinct in visible regime when compared to synthesized GST material. Finally, we propose vertical metal-MoTe$_2$-metal memory cell with top electrode adopted as transparent electrode to observe electric-field induced optical change of MoTe$_2$due to phase-transition. The low-resistance state of switched MoTe$_2$show lower optical reflectance than that of high-resistance state. The complex refractive indices of electrically switched low- and high-resistance state are extracted with iterative method. The optical change is significant in visible regime, indicating MoTe$_2$as promising candidate as an active photonic material in various visible applications.
가시광 및 근적외선 대역에서 구동하는 가변 광 소자는 메모리, 디스플레이, 센서, 집적 광 소자 등과 같은 분야에 필수적으로 사용되고 있다. 가변 광 소자의 핵심적인 부분은 이를 구성하는 가변 가능 구조 혹은 능동 소재이다. 옵토-메카닉 장치는 움직이는 동적 구조를 통해 기존 광소재에 비해 더 뛰어난 광학적 성능을 보여준다. 하지만, 이는 나노 공정 기술의 발전에도 불구하고 복잡한 공정 과정을 통해 설계되어야 하며, 큰 부피를 차지하고 있기에 나노 수준의 소자로 구성 및 집적이 다소 어렵다. 실리콘 그리고 리튬 나이오베이트와 같은 기존 광전 소재는 광 신호 처리 속도 및 비용적인 면에서 큰 이점을 가지고 있으며 다른 플랫폼 집적이 가능하기에 상용화되어 있다. 하지만, 광 특성 변화가 상대적으로 작기 때문에 2-π 위상 천이를 기록하기 위해서는 전체적인 소자의 크기가 커져야 한다. 그와 반면, 위상변화가 가능한 게르마늄-주석-텔루륨(GST) 합금 소재는 넓은 광 대역에서 광 가변 특성이 뛰어나다. 그러나 해당 소재는 물성이 바뀌기 위해서는 고온 공정 처리 과정이 수반되기에 큰 전력 소모가 예상된다. 현 광전 분야에서는 작고 얇은 단위의 소자로 뛰어난 광 특성을 보이면서 저 전력 구동이 가능한 광전 소재를 모색하고 있다. 전이금속 데칼코제나이드 이차원 물질의 일종인 이텔루륨화 몰리브덴 (MoTe$_2$)은 적은 에너지로도 가변적 위상 변화가 가능하고, 이를 구성하는 원자 단일 층이 ~ 7 Å으로 매우 얇기에 새로운 광 능동 소재로 주목받고 있다. MoTe$_2$는 차세대 전자소재로서 지난 몇 년간 지속적으로 연구되어 왔지만, 해당 소재의 위상 변화에 따른 광학적 정보가 적은 편이다. 이에 따라, 저 전력 광전 소재로 주목 받고는 있지만 광학적 정보(특히, 광 굴절률)가 부족하기에 적용이 어려운 상황이다.본 학위 논문에서는 MoTe$_2$의 광학적 분석을 시작으로 해당 소재의 위상 변화 성질을 이용한 광전 소자 응용에 대한 연구를 다룬다. 라만 분광 분석 기법을 통해, MoTe$_2$의 2H 반도체 및 1T’ 준금속 위상에 해당하는 라만 모드로 위상을 확인하였다. 기판에 가해지는 온도를 바꿔가며 2H 상의 라만 스펙트럼을 실시간으로 분석한 결과, 고온에서는 2H 및 1T’ 상이 혼재된 상태로 1T’ 상이 우세하고, 저온으로 내려가면서 점차 2H 상의 비율이 커졌다. 이와 같은 경쟁 구도는 히스테리시스 커브를 따라 특성이 나타났다. 더 나아가, 2H 및 1T’ 상에 대한 반사율을 토대로 유전 상수 공식 모델링 기법을 이용하여 2H 및 1T’-MoTe$_2$의 복소 광 굴절률을 추출하였다. 이는 Kramers-Kronig (K-K) relation 기법에 의거하였기에 과거 연구 발표보다 더 정확한 굴절률 정보라 할 수 있다. 또한, 수직 구조 투명 금속-MoTe$_2$-금속 저항 메모리를 제작하여, 저항 메모리의 특성을 파악함과 동시에, 광 반사율이 달라짐을 확인하였다. 해당 반사율을 분석하여 스위칭 되기 전과 후의 MoTe$_2$광 굴절율을 추출하였으며, GST 합금 소재에 비해 가시광선 대역 내에서의 우수한 성능을 확인하였다.
