그래핀 가장자리에서의 실리콘-탄소 결합

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-16

탄소 원자 한 개 두께의 시트 형태인 그래핀에서의 도펀트(dopant)는 그래핀의 특성에 영향을 미치며, 이 불순물 원자들이 어떻게 탄소 재료의 결합에 영향을 미치는지에 대한 이해는 촉매작용 및 전자기기 분야에서 중요한 주제이다. 영국 옥스포드대학 연구팀과 한국 서울대학교 연구팀은 수차보정 투과전자현미경(modified aberration-corrected transmission electron microscopy, AC-TEM) 기술을 사용하여, 실리콘-탄소 간의 결합에 대해 지금까지 보고된 것 중에 가장 상세한 조사를 하였으며, 실리콘 원자가 그래핀 가장자리의 몇몇 서로 다른 위치에서 결합할 수 있다는 사실을 밝혀내었다. 질소, 실리콘 및 철과 같은 그래핀에 사용된 도펀트는, 매우 낮은 도핑 수준에서조차도 그래핀 탄소 시트의 전자적 특성을 크게 변화시킬 수 있다. 또한 촉매작용에서도 중요한 역할을 담당한다. 연구팀은 이런 도펀트들이 탄소 원자에 결합하는 방식을 수차보정 투과 전자현미경, 전자 에너지 손실 분광법(electron energy loss spectroscopy) 및 옹스트롬(angstrom) 크기의 탐침을 사용하는 주사 투과 전자현미경(scanning transmission electron microscopy)을 사용하여 조사하였다. 본 연구결과, 예를 들어 벌크 그래핀 상에서의 단일 실리콘 및 철 도펀트는 두 가지 다른 배치(configuration)을 가진다는 사실이 밝혀졌다. 첫 번째 경우는 도펀트 원자가 직접 치환을 통해 근처의 3개의 탄소 원자와 sp3 혼성(sp3 hybridization)으로 결합하는 ‘단일 공백(monovacancy)’이다. 두 번째 경우는 2개의 탄소 원자를 대체하여 sp2d 혼성(sp2d hybridization)을 통한 4개의 탄소와 결합하는 ‘이중 공백(divacancy)’이다. 도펀트 결합 지점의 범위 그래핀 구조는 모서리(edge)를 포함하고 있으며, 이들 모서리는 나노리본(nanoribbon), 나노접합(nanojunction) 및 양자점(quantum dot)과 같은 구조에 특히 영향을 미치게 된다. 규칙적인 그래핀 모서리 구조가 존재하는데 이것은 ‘안락의자’, ‘지그재그’ 및 ‘확장 클라인(extended Klein)’ 이라고 불린다. 이런 가장자리 구조 내에서는 도펀트가 결합할 수 있는 여러 지점이 존재하는데, 이들 지점과 도펀트의 결합 방식은 매우 다양하다. 예를 들어, 연구팀은 단일 철 원자의 경우, 안락의자 형태에서 두 가지 다른 도펀트-그래핀 가장자리 배치를 발견하였다. 옥스포드대학 Jamie Warner가 이끄는 연구팀은 수차보정 투과 전자현미경을 사용하여, 그래핀 가장자리에서 안락의자 및 지그재그 형태로 결합된 실리콘 도펀트 원자의 결합길이에 대해 연구하였다. 본 연구의 핵심은 상온에서 영상화하는 과정에서 발생할 수 있는 그래핀의 화학적 에칭(chemical etching)을 중단시키는 홀더(holder)를 활용하는 것이었다. 상온에 비해 고온에서의 그래핀 가장자리는 안정적이며 실리콘의 경우는 더욱 그러하다. 연구팀이 사용한 홀더는 안정된 상태의 가장자리 위치한 단일 실리콘 원자를 높은 대조도(contrast)로 영상화하는 것을 가능하게 해 주었다고 Warner는 밝혔다. 얻어진 영상은 탄소 sp2 네트워크 및 실리콘 원자의 반응과 관련된 기본적인 유기실란(organosilane) 화학을 이해하는데 도움을 주게 될 것이다. 연구팀은 두 가지 다른 형태의 원자 간에 서로 다른 결합 지점을 규명하였으며, 그래핀 가장자리에 대해 전례 없이 상세하게 분석하는데 성공하였다. 본 연구결과는 촉매작용, 전자기기 혹은 플라즈모닉 분야에 활용될 것으로 예상되고 있다. 연구팀은 이제 고온에서 금속 글러스터(metal cluster)와 그래핀 간의 상호작용을 이해하기 위한 연구를 수행 중이다. 또한 순수한 그래핀 기질과 2D 금속 결정 간의 에피택셜 관계에 대해서도 연구 중이다. 그림> 그래핀 가장자리에 결합한 실리콘 원자 원문정보: ACS Nano DOI: 10.1021/acsnano.5b06050. bond.jpg atom.gif http://nanotechweb.org/cws/article/tech/63513