나노기술 및 정책 정보

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미국 에너지 부(DOE)의 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)의 연구진은 노스웨스턴 대학 및 플로리다 대학과 공동연구를 수행하여, 나노 전자 공학 및 양자 정보 기술 분야에서 잠재적인 응용이 가능한 붕소 및 수소 원자를 포함하는 안정적인 나노 시트인 보로핀(Borophene)이라는 2D 물질과 관련된 획기적인 연구를 발표함. 붕소와 수소의 두께는 원자 두 개에 불과함.

최근 수십 년 동안 재료과학에서 가장 흥미로운 발견 중 하나는 원자 두께가 1개이고 강철보다 200배 더 강한 탄소 2D 시트(그래핀)임. 유사하게 유망하고 새로운 물질은 'e'가 있는 보로핀(borophene)이라고 불리는 원자 두께의 붕소 시트임. 아르곤 나노스케일 재료 센터의 연구원을 포함한 다중 기관 팀은 2015년에 처음으로 보로핀을 합성함.

그래핀은 일반적인 재료인 흑연의 여러 동일한 층 중 하나의 원자층일 뿐이지만 보로핀은 동등한 부모 구조가 없으며 준비하기가 매우 어려움. 더욱이 보로핀과 공기의 빠른 반응은 매우 불안정하고 쉽게 형태가 변한다는 것을 의미함.

보로핀 자체에는 모든 종류의 문제가 있지만, 보로핀과 수소를 혼합할 때, 제품은 갑자기 나노 전자 공학과 양자 정보 기술의 급성장하는 분야에서 사용하기에 훨씬 더 안정적이고 매력적으로 변함.

연구진은 은 기판에 보로핀을 배양한 다음 수소에 노출시켜 보로핀을 형성함. 그런 다음 주사 터널링 현미경과 구조의 이론적 시뮬레이션을 실험 측정과 비교하는 컴퓨터 비전 기반 알고리즘을 결합하여 보로핀의 복잡한 구조를 밝혀냄. 컴퓨터 비전은 고성능 컴퓨터가 시각적 세계를 해석하고 이해하도록 훈련시키는 인공 지능의 한 분야임.

보로핀 물질의 두께는 원자 2개에 불과하지만 붕소와 수소 원자의 배열이 다양하기 때문에 구조가 매우 복잡함. 연구진은 컴퓨터 비전의 도움으로 터널링 현미경 이미지를 스캔하고 원자 규모의 계산 모델링을 통해 원자 구조를 결정하는 데 있어 중요한 과제를 해결함. 이 복잡한 구조 및 자동화된 분석 기술은 향후 다른 복잡한 나노구조를 식별하는 데 적용할 수 있어야 함.

특히나 기판에 있는 보로핀 나노시트가 보로 핀과 달리 상당히 안정적이라는 것을 발견했다는 것이 놀라우며, 이것은 광전자 공학을 위한 새로운 장치, 빛과 전자 공학을 결합한 장치의 구성에서 다른 재료와 쉽게 통합되어야 함을 의미함. 이러한 조명 제어 및 발광 장치는 통신, 의료 장비 등에 통합될 수 있음.

본 연구 성과는 Science ("Synthesis of borophane polymorphs through hydrogenation of borophene")에 게재됨.