포스포린의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 방법

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-29

미국 연구진은 붕소 질화물 시트 사이에 “포스포린(phosphorene)”을 삽입함으로써 높은 안정성 및 전자 이동도를 가질 수 있다는 것을 발견했다. 그래핀에 대한 관심으로 인해서 차세대 장치에 유용할 수 있는 다른 2 차원 재료에 대한 관심도 함께 증가하게 되었다. 벌크 인(燐)은 과학자들에게 가장 인기 있는 2차원 재료(높은 이동도 및 밴드갭)이지만 장치 속의 2차원 포스포린은 낮은 안정성과 상대적으로 보통의 전자 이동도를 가지게 한다. 이번 연구진은 붕소 질화물 시트 사이에 포스포린을 삽입함으로써 이런 문제들을 해결할 수 있다는 것을 증명했다. “우리는 포스포린의 안정성 문제를 해결했고 그들이 높은 이동도를 가진다는 것을 증명했다”고 캘리포니아 대학의 리버사이드 캠퍼스(University of California, Riverside)의 Chun Ning Lau 교수가 설명했다. “이런 향상의 핵심은 육방정계 결정성을 가진 붕소 질화물 시트 속에 포스포린을 삽입하는 것”이라고 Lau 교수가 말했다.   그래핀(탄소 원자의 육방정계 벌집 격자)의 연구가 유사한 2차원 재료를 조사하는데 큰 영향을 끼친다고 이번 연구진은 설명했다. 그래핀은 100,000 cm2/Vs의 이동도를 가지는데, 이것은 새로운 분야의 적용에 매우 매력적이지만 밴드갭의 부족은 그래핀이 디지털 장치 속에 직접적으로 적용할 수 없게 만든다. 결과적으로, 20~200 cm2/Vs의 낮은 이동도를 일반적으로 가지기 때문에 다른 2차원 재료가 큰 관심을 끌고 있다.    흑린(黑燐)의 높은 이동도(벌크 상태에서 약 60,000 cm2/Vs를 가짐) 때문에, 이것이 안정적이기만 한다면 2차원 동소체인 포스포린은 장치에 적용하는데 유망한 후보자인 것처럼 보인다. “포스포린은 산소와 물과 반응한다”라고 Lau가 말했다. “이 반응은 느리지만 1~2일 내에 장치를 파괴할 수 있다”고 Lau 교수가 덧붙였다. 이번 연구진은 붕소 질화물 시트 사이에 포스포린을 삽입하는 것이 공기로부터 이것을 보호한다는 것을 발견했다. “우리는 그래핀에 대한 우리의 경험을 기반으로 이 방법을 개발했다”고 Lau가 말했다. 붕소 질화물 시트는 우수한 절연체이고 불포화 결합이 없이 원자적으로 평편하다. 이것은 불순물로부터 전자의 산란을 감소시킨다. 따라서 그들은 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라 포스포린의 전기적 특성을 향상시키는데 도움을 준다. 붕소 질화물을 가진 포스포린을 보호하기 위한 몇 가지 시도가 그동안 있었지만, 이번 연구진은 포스포린의 상부와 하부를 샌드위치함으로써 안정성과 이동도를 향상시킬 수 있다는 것을 최초로 증명했다. 이번 연구진은 장치를 제조하는데 다음과 같은 몇 가지 기술적인 문제점을 경험했다: 다른 층 위에서의 포스포린과 육방정계 붕소 질화물 시트의 연속적인 전사, 샌드위치된 층과의 우수한 접촉을 보장하는 것. “우리는 이 장치가 2주일 이상 동안 공기 중에서 안정적이라는 것을 증명했다. 따라서 안정성 문제가 해결되었다”고 Lau가 말했다. “더 나아가, 이 장치는 약 4000 cm2/Vs의 높은 이동도를 가지는데, 이것은 그래핀 이외에 다른 2차원 재료 중에서 가장 높은 이동도”라고 Lau가 덧붙였다.  이번 연구진은 낮은 온도에서 이동도를 상당히 향상시킬 수 있는 방법을 조사하기 위해서 서로 다른 온도로 장치를 작동시키는 연구를 수행하고 있다. 이와는 대조적으로 저항은 금속에서부터 절연체까지 전이를 증가시켰다. 이번 연구진은 게이트 전압이 자기장의 존재 하에서 증가되기 때문에 저항을 측정하게 되었다, 이것은 “슈브니코프-드하스 효과(Shubnikov-de Haas)” 진동이라고 알려진 저항 속의 진동을 확인하는데 기여하였다. 전류와 자기장 간의 상호작용은 힘과 사이클로트론 전자 운동(cyclotron electron motion)을 증가시킨다. 전자의 사이클로트론 운동의 양자화는 슈브니코프-드하스 진동을 초래하고, 캐리어의 효과적인 사이클로트론 질량에 대한 추가적인 고찰을 제공할 수 있다. “이것은 양자 진동이 비-그래핀 2차원 재료 속에서 존재한다는 것을 최초로 증명했다”고 Lau가 말했다. “이것은 양자홀 효과와 같은 양자 프로세스와 현상을 조사할 수 있는 2차원 플랫폼으로 사용될 수 있다”고 Lau가 언급했다. 이 연구결과는 저널 2D Matrerials에 “Gate tunable quantum oscillations in air-stable and high mobility few-layer phosphorene heterostructures” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1088/2053-1583/2/1/011001). 그림. 안정적인 포스포린 장치. figure.jpg http://nanotechweb.org/cws/article/tech/59749