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새로운 2D 재료는 태양전지에서 스마트폰 및 웨어러블 전자 장치에 이르는 애플리케이션을 통해 기술을 다양하게 변환할 수 있는 잠재력을 가지고 있음. 이 물질은 결정 구조로 함께 결합된 단일 원자층으로 구성됨. 사실, 그들은 너무 얇아서 천만 개의 스택이 1mm 두께에 불과함. 그리고 때때로 이보다 적은 것이 더 많으며, 일부 2D 재료는 훨씬 두꺼운 유사한 재료보다 더 효과적이고 효율적임. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 2D 재료는 현재 만들기가 어렵고 비용이 많이 듦. 즉, 이를 창조하려는 연구자들은 개발에 시간, 에너지 및 자금을 투자하는 방법에 대해 신중한 선택을 해야 함.

메릴랜드, 볼티모어 카운티 대학교(University of Maryland Baltimore County) 연구팀의 이론적 연구는 새로운 어떤 재료가 다양한 응용 분야에서 바람직한 특성을 가질 수 있고 본질적으로 안정된 형태로 존재할 수 있는지에 대한 신뢰할 수 있는 정보를 제공함. 그들은 최첨단 컴퓨터 모델링 기술을 사용하여 아직 실제 생활에서 만들어지지 않은 2D 재료의 속성을 예측했음. 연구팀은 보통 실험주의자들보다 5 년 정도 앞서기 위해 노력하고 있으며, 이렇게 하면 값 비싼 막 다른 골목으로 가는 것을 피할 수 있을 것임.

연구팀의 논문은 III 족 질화물이라고 불리는 2-D 물질의 안정성과 특성에 초점을 맞추고 있음. 이들은 질소와 알루미늄, 갈륨, 인듐 및 붕소를 포함하는 주기율표 III 족 원소의 혼합물임. 과학자들은 이미 이러한 2D 재료 중 일부를 소량으로 만들었음. 그러나 그룹 III의 원소 중 하나와 질소의 혼합물을 합성하는 대신 연구팀은 질소와 그룹 III에 속한 두 개의 다른 원소를 포함하는 혼합물인 합금을 모델링했음. 예를 들어, 그들은 대부분 알루미늄으로 만들어졌지만 일부 갈륨 또는 대부분 갈륨으로 만들어졌지만 일부 인듐이 추가된 재료의 특성을 예측했음. 이러한 "중간" 재료는 특정 응용 분야에서 유용할 수 있는 중간 특성을 가질 수 있음. 이 합금을 통해 주황색 빛이 있다고 말할 수도 있지만, 적색광과 황색광을 흡수할 수 있는 물질이라고도 할 수 있는 것임. 그러면 오렌지 빛을 흡수할 수 있도록 혼합하면, 이러한 재료의 빛 흡수 기능을 조정하여 태양 에너지 시스템의 효율성을 향상시킬 수 있음.

연구팀은 또한 재료의 전기적 및 열전 특성을 조사했음. 한 쪽이 차갑고 다른 쪽이 뜨거울 때 전기를 생산할 수 있는 물질은 열전 능력을 가지고 있음. 염기성 III 족 질화물은 열전 특성을 갖지만 특정 농도에서 합금의 열전 특성은 염기성 III 족 질화물보다 우수함. 이같이 합금을 연구하는 주된 동기는 속성의 조정 가능성임. 연구팀은 또한 모든 합금이 실제 생활에서 안정적이지는 않음을 보여주었음. 예를 들어, 어떤 농도의 알루미늄과 붕소의 혼합물은 안정적이지 않았음. 그러나 갈륨-알루미늄 혼합물의 5 가지 다른 비율은 안정적이었음. 기본 그룹 III 질화물의 생산이 더 안정적이 되고 규모가 커지면 과학자들이 그 결과를 지침으로 사용하여 특정 응용 분야를 위한 재료 엔지니어링 작업을 수행할 것으로 기대함. 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 사용하여 재료의 특성을 모델링했음. 실험 데이터를 모델에 대한 입력으로 사용하는 대신 연구팀은 이러한 속성을 생성하기 위해 양자 역학의 기본을 사용하였음. 따라서 우수한 면은 실험적 편견이 없는 것으로 이전에 실험적 증거가 없는 것에 대해서도 연구하고 있음. 따라서 이것은 신뢰할 수 있는 접근 방식임. 가장 정확한 결과를 얻으려면 엄청난 양의 컴퓨팅 성능이 필요하고 시간이 오래 걸림. 가장 높은 정확도 수준에서 모델을 실행하는 데 며칠이 걸릴 수 있음. 이 연구의 아름다운 부분은 기초부터 시작하여 말 그대로 적용 분야에서 가장 정확한 수준으로 올라갔다는 것이며, 항상 더 많은 것을 요청할 수 있음.

2D 재료는 종종 장치 내의 전자 회로에 통합되어야 함. 연결을 위해서는 중간 레이어가 필요하며 연구팀은 작동하는 레이어를 찾았음. 이를 수행할 수 있는 분자가 있으며, 외부 회로 애플리케이션에 사용하기 위해 재료에 연결할 수 있음. 이 결과는 2D 재료 구현에 큰 성과임. 이 연구는 2-D 원자 결정의 표면에서 발생하는 프로세스에 대한 기본적인 실험 연구와 시스템의 상세한 계산 평가를 결합함. 장치 커뮤니티에 지침을 제공하여 새로운 재료를 기존 장치 아키텍처에 성공적으로 통합할 수 있음. 이 작업에 대한 이론적 분석은 Ataca의 연구실에서 이루어졌으며 실험은 Gougousi의 연구실에서 이루어졌고, Kropp은 두 그룹 모두에서 일했음.

본 연구 성과는 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ (“Engineering the Electronic, Thermoelectric, and Excitonic Properties of Two-Dimensional Group-III Nitrides through Alloying for Optoelectronic Devices (B1–xAlxN, Al1–xGaxN, and Ga1–xInxN)”) 지에 게재됨