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러시아 스콜텍(Skoltech) 연구진은 압력 하에서 2D 재료의 거동을 모델링하는 방법을 개발함. 이 연구는 실리신(silicene) 또는 기타 2D 재료를 기반으로 하는 압력 센서를 만드는 데 도움이 될 것임.

그래핀의 실리콘 유사체로 간주되는 실리신은 실리콘의 2차원 동소체임. 정상 상태에서 벌크 실리콘은 다이아몬드 결정 유형 구조를 가진 반도체임. 하나 또는 여러 레이어로 얇아지면 속성이 극적으로 변하지만, 고압에서 2D 재료의 전자적 특성 변화를 연구하는 것은 아직 불가능함.

러시아, 이탈리아, 미국 및 벨기에의 과학자들은 실리신을 예로 들어 압력 하에서 2D 물질의 전자적 특성을 연구하기 위해 양자 화학에 의존하는 이론적 연구 방법을 개발함. 3D 및 2D 상태 모두에서 안정적인 탄소와 달리 실리신은 준 안정적이며 환경과 상호 작용하기 쉬움.

실리콘은 벌크 상태의 반도체이고 2D 상태의 금속임. 단층 및 다층 실리신의 특성은 이론적으로 광범위하게 연구됨. 실리신은 인접한 실리콘 원자 간의 상호 작용으로 인해 평평하지 않고 주름이 있음. 압력의 증가는 실리신을 평평하게 하고 그 특성을 변화시켜야 하지만 이 효과는 아직 실험적으로 조사되지 않았음. 대부분의 경우 평면에 수직인 축을 따라 재료에 압력을 가하는 데 사용되는 실험 도구는 동시에 2D 재료의 평면 방향으로 압축을 생성함. 따라서 결과 측정은 거의 정확하지 않으므로 현재 모델링은 유일하게 그럴듯한 접근 방식으로 보임.

압력이 한 방향으로만 가해지기 때문에 연구진은 재료의 압축을 시뮬레이션하고 전자 구조의 변화, 실리콘 원자의 배열 및 다른 압력 하에서의 혼성화의 원인, 그리고 층이 평평해지는 이유를 파악하고자 했음.

압력 하에서 실리신 또는 기타 2D 물질의 거동을 정확하게 예측하면 실리신이 압력 센서에 대한 유망한 후보가 될 것임. 센서 내부에 실리신을 배치하면 압축에 대한 재료의 반응을 기반으로 압력을 결정하는 데 도움이 될 수 있음. 이러한 종류의 센서는 예를 들어 장비를 손상시키지 않고 드릴링 힘을 높이기 위해 압력 제어에 대한 높은 요구 사항이 있는 드릴링 리그에서 사용할 수 있음.

본 연구 성과는 ACS Nano ("Computational Modeling of 2D Materials under High Pressure and Their Chemical Bonding: Silicene as Possible Field-Effect Transistor")에 게재됨.