나노기술 및 정책 정보

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​러시아 Moscow Institute of Physics and Technology의 연구자들은 고품질 그래핀 나노리본을 합성하는 새로운 방법을 고안함. 이 물질은 유연한 전자 장치, 태양 전지, LED, 레이저 등에 응용할 수 있는 잠재력을 가지고 있음.

실리콘 기반 전자 제품은 한계에 다다르고 있으며, 탄소 원자의 2D 시트인 그래핀이 유망하지만 실리콘과 달리 그래핀은 전도성 상태와 비전도성 상태 사이를 전환할 수 있는 능력이 없음. 실리콘과 같은 반도체의 이러한 특성은 모든 전자 제품의 기초가 되는 트랜지스터를 만드는데 중요함.

한편 그래핀을 좁은 리본으로 자르면 가장자리에 올바른 형상이 있고 구조적 결함이 없는 경우 반도체 특성을 얻을 수 있음. 이러한 나노리본은 이미 우수한 특성을 가진 실험용 트랜지스터에 사용되었으며, 재료의 탄성은 장치를 유연하게 만들 수도 있음. 2D 재료를 3D 전자 장치와 통합하는 것은 기술적으로 어렵지만 나노리본이 실리콘을 대체할 수 없는 이유 또한 없음.

그래핀 나노리본을 얻는 보다 실용적인 방법은 그래핀 시트나 나노튜브를 절단하는 것이 아니라 물질 원자를 원자 단위로 성장시키는 것임. 이 접근 방식은 상향식 합성으로 알려져 있으며 하향식 방식과 달리 구조적으로 완벽하므로 기술적으로 유용한 나노리본을 생성함. 자체 조립으로 알려진 일반적인 상향식 합성을 위한 방법은 비용이 많이 들고 산업 생산을 위해 확장하기 어렵기 때문에 재료 과학자들은 이에 대한 대안을 찾고 있음.

연구진은 원자적으로 결함이 없는 나노리본을 합성하는 대체 방법을 고안하여, 일반 진공 상태에서 훨씬 저렴한 니켈 기판으로 작동할 뿐만 아니라 나노리본이 개별적으로가 아닌 다층 필름으로 생산되게 함. 그렇게 되면 수율 또한 증가함. 이 필름을 단층 리본으로 분리하기 위해 서스펜션에 넣었고, 그 결과 그 어느 것도 재료의 품질을 손상시키지 않는 것을 확인함.

합성은 표준 대기압의 100만분의 1인 밀폐 유리관에서 이루어지며, 이는 나노리본 자체 조립에 일반적으로 필요한 초고진공보다 10,000배 더 높음. 사용되는 초기 시약은 탄소, 수소 및 브롬을 포함하는 고체 물질이며 DBBA로 알려져 있음. 산화막을 제거하기 위해 섭씨 1,000도에서 사전 열처리된 니켈 호일이 있는 튜브에 배치된 후 DBBA가 포함된 유리관을 두 단계로 몇 시간 동안 열처리함. 첫 번째 열처리 동안 긴 폴리머 분자를 형성하고 두 번째 열처리 동안 나노리본으로 변형됨. 정밀한 원자 구조로 최대 1,000 나노미터 두께의 필름으로 조밀하게 만들어짐. 연구진은 이 필름을 용액에 매달아 초음파에 노출시켜 다층 ‘스택’을 하나의 원자 두께인 탄소 나노리본으로 분해함.

이 새로운 합성 기술은 비교적 저렴하고 확장하기 쉽기 때문에, 궁극적으로 성능을 크게 향상시킬 전자 및 광학 장치의 대규모 생산에 해당 재료를 도입할 수 있는 중요한 기술임. 이러한 상향식 화학 기상 증착은 매우 좁은 그래핀 리본을 적당한 진공, 니켈 기판과 같은 온화한 조건에서 대량으로 생산할 수 있게 하며, 비선형 광학 분야의 많은 응용 분야에 유망할 것으로 기대됨.

본 연구는 The Journal of Physical Chemistry C ("Excitonic Photoluminescence of Ultra-Narrow 7-Armchair Graphene Nanoribbons Grown by a New “Bottom-Up” Approach on a Ni Substrate under Low Vacuum")에 게재됨.