그라핀 하이브리드를 만들 수 있는 새로운 방법

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-03-02

라이스 대학(Rice University) 연구진은 재료 과학에서 새로운 길을 열어줄 2차원 퀼트(quilt) 속에 그라핀과 6각형 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)를 삽입할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 기술은 마이크로전자장치 속에 그라핀 물질을 적용할 수 있어서 무어의 법칙으로 알게 된 실리콘의 크기 한계 문제를 극복할 수 있다는 것을 암시한다. 이번 연구진은 이러한 하이브리드 2차원 구조의 생성에서 미세한 제어를 할 수 있다는 것도 증명했다. 단일 원자 두께를 가진 h-BN 층은 그라핀과 동일한 격자 구조를 가졌지만 스펙트럼은 서로 반대쪽 끝에 있다. h-BN은 절연체인데 비해서 단일 원자 두께의 탄소로 이루어진 그라핀은 전도성 물질이다. h-BN과 그라핀을 단일 격자 속에 조립할 수 있다면 금속 전도체에서 반도체, 절연체까지 광범위한 전기 성질을 가진 다양한 2 차원 구조를 만들 수 있다. 연구진은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD)에 의해서 h-BN과 탄소의 도메인을 억제함으로서, 생성된 박막의 물질 비율을 제어할 수 있었다는 것을 발견했다. 그라핀의 관점에서, 이것은 2 차원의 층을 가진 시스템 속의 밴드갭을 조사할 수 있게 한다. 붕소, 탄소 그리고 질소의 전체 상태도는 아직 조사되지 않았기 때문에, 이번 연구결과로 인해서 이것을 밝힐 수 있다면 재료 과학자에게 큰 도움을 줄 수 있을 것이다. 이번 연구는 이런 구조가 2차원의 그라핀 속에서 성장할 수 있다는 보여준 첫 번째 예라고 연구진은 말했다. 그라핀은 실리콘 회로의 이론적 한계를 극복할 수 있는 크기에서 조절될 수 있는 가능성과 높은 전도성을 가지고 있어서 최근에 매우 많은 연구가 진행되고 있다. 그라핀 층은 육각형 격자로 되어 있는 탄소 원자로 되어 있다. 벌크 상태에서는 연필심에서 사용되고 있는 흑연으로 불린다. 그러다가 2004년에 영국 과학자인 Scotch tape에 의해서 첫 번째로 그라핀이 분리되었다. 이번 연구진은 반도체 성질을 결정하기 위해서 다양한 물질을 가진 그라핀을 도핑하는 연구를 진행했다. 붕소와 질소는 벌크 흑연을 도핑하는데 벌써 사용되었기 때문에, 연구진은 구리 베이스 위에 이것들을 CVD로 증착하기로 결정했다. 구조적으로 보면, h-BN은 철망처럼 생긴 육각형 모양의 탄소원자 격자로 구성된 그라핀과 동일하다. 연구진은 CVD를 통해서, 그라핀과 h-BN이 탄소 기질을 분해하면서 h-BN의 풀(Pool)을 가진 단일 원자 시트 속에서 융합된다는 사실을 발견했다. 전자 재료를 위한 중요한 요소는 밴드갭이다. 그래서 전자 제품에 물질이 적용되기 위해서는 밴드갭을 제어할 수 있는 방법이 있어야 한다. 그라핀은 제로-갭(zero-gap) 물질이지만 이번 방법처럼 나노크기 스트립 속에 패턴화되고 다른 원소를 도핑시키면 밴드갭 간격을 조절할 수 있다는 것을 이번 연구진은 제안했다. 대부분의 실험실에서 진행되고 있는 박막 성장은 두 개 또는 세 개의 층을 가지고 있기 때문에 단일층의 하이브리드 물질을 생성하는데 문제가 있다. 또한 단일층 또는 층 사이의 회전 각도에서 h-BN 풀의 위치를 아직 제어할 수 없기 때문에 이번 연구진은 이것에 대해서도 연구하고 있다. 실제로, 다양한 각도에서 하이브리드의 다중층을 가지게 하는 것은 보다 더 많은 가능성을 포함하고 있다고 연구진은 말했다. 연구진은 산업적 크기의 웨이퍼 위에 이 물질을 생성하는 것을 고려하고 있다. 전체가 수 인치되는 그라핀 시트는 다른 연구실에서 중합되었다. 이번 방법은 그라핀을 리소그래피 방법으로 패턴화할 수 있고 모양을 조각할 수 있기 때문에, 전자 성질을 제어해야 하는 장치에 유용하게 적용할 수 있을 것이다. 이 연구결과는 Nature Materials의 온라인 판에 기재되었다. 그림. 그라핀과 질화붕소 하이브리드로 되어 있는 원자 한 개 두께의 층. 8-researchersm.jpg 출처 : http://www.physorg.com/news186682880.html