원자 수준의 박막 재료에서 중요한 재료 사이의 틈(gap)

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-31

단일층 원자구조(single-layer atomic structure)를 엔지니어링하는데 있어, “틈을 조심하라(minding the gap)”란 말은 연구자들이 정해진 시간에 하나의 원자 층에서 인공 전기 재료물질을 만들어내는 것을 도와줄 수 있을 것이다. 그 틈은 매우 작은 공백(miniscule vacuum)을 의미하는데 펜실베니아주립대 2-D 재료센터(Penn State center for 2-dimensional and layered material)의 연구자들은 이것들이 전자들이 하나의 재료 층으로부터 다른 층으로 옮겨지는 것을 막아주는 일종의 에너지 장벽(energy barrier)이라고 믿고 있다. 이에 대해 펜실베니아주립대 2-D 재료센터의 조교수인 Joshua Robinson은 "우리는 여전히 어떻게 전자들이 이렇게 층으로 된 구조에서 전달될 수 있는지를 이해하기 위해 노력하고 있다. 우리는 이러한 과정에서 훨씬 적은 양의 에너지를 이용할 것이라고 생각했다. 이론과 실험의 완전한 조합 덕분에 우리는 이제 우리가 새로운 재료들을 디자인하는데 있어서 이러한 틈(gap)을 고려해야만 한다는 사실을 알 수 있게 되었다"고 말했다. 처음으로 펜실베니아주립대의 연구자들은 두 개의 층 사이에서 완전히 새로운 계면(interface)을 지닌 단일 원자층 두께의 그래핀 기질 위에 단일 원자층 두께의 텅스텐 디셀레나이드(tungsten diselenide)를 성장시키는데 성공했다. 연구자들이 위쪽의 텅스텐 디셀레나이드 층으로부터 아래쪽으로 전압을 가할 때, 연구자들은 상당한 양의 저항이 존재한다는 사실을 알고 매우 놀랐다. 그 저항의 절반 가량은 층 사이에 존재하는 틈(gap)에 의한 것이었다. 이러한 일종의 에너지 장벽은 수직 터널링 전계효과 트랜지스터(vertical tunneling field effect transistor) 등에 이용될 수 있다. 이러한 타입의 재료에 대한 관심은 단일층 그라파이트(single layer graphite)를 만드는 방법의 발견으로 더욱 고조되었다. 펜실베니아주립대의 연구자들은 이전에 존재했던 화학증기증착(chemical vapor deposition)에 의해 그래핀을 만드는 방법에 비해 보다 스케일이 큰 방법을 이용했으며 이를 통해 실리콘 카바이드(silicon carbide)로부터 성장한 그래핀의 위쪽 부분에서 텅스텐 디셀레나이드 단일층을 성장시킬 수 있었다. 연구자들은 그 결과 텅스텐 디셀레나이드가 완벽하게 서로 결합해 1센티미터 크기의 단일 결정으로 성장해 가는 것을 관찰할 수 있었다. Robinson은 이 방법이 산업적으로 유용한 크기의 결정 제작에도 이용될 수 있을 것이라고 생각하고 있다. 이에 대해 그는 "이 틈에 대해 한 가지 재미있는 사실은 그래핀에 존재하는 원자들이 텅스텐 디셀레나이드에 있는 원자들과 연결되지 않음에도 불구하고 층들이 서로 결합한다는 사실"이라고 말했다. 그림: 텅스텐 디셀레나이드의 TEM 이미지. 1-mindthegapbe.jpg http://phys.org/news/2014-12-mind-gap-atomically-thin-materials.html