나노기술 및 정책 정보

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전자가 거의 방해받지 않고 이동할 수 있는 원자적으로 얇은 탄소층인 그래핀은 15 년 전 처음으로 성공적인 분리 이후 광범위하게 연구되어 왔음. 많은 고유한 특성 중에는 바이오 센싱, 양자 정보 및 태양 에너지를 포함하여 나노 기술에서 잠재적으로 광범위하게 응용되는 전자 전하(플라즈몬 폴라리톤)의 진동과 결합된 고도로 집속된 전자기파를 생성하는 능력이 있음. 그러나 플라즈몬 폴라리톤을 생성하기 위해서는 근처의 금속 게이트에 전압을 인가하여 그래핀을 충전해야하는데, 이는 나노 크기 장치의 크기와 복잡성을 크게 증가시키게 됨.

컬럼비아 대학교(Columbia University School of Engineering and Applied Science) 연구팀은 외부 게이트 없이 기록적인 높은 전하 밀도를 가진 플라즈모닉 활성 그래핀을 달성했음. 그들은 α-RuCl3로 알려진 2 차원 전자 수용체로 새로운 층간 전하 이동을 이용하여 이를 달성했음. 이 작업을 통해 연구팀은 그래핀을 금속 게이트나 전압원 없이 플라즈몬 물질로 사용할 수 있게 되었고, 처음으로 독립형 그래핀 플라즈모닉 구조를 만들 수 있게 되었음. 모든 물질은 일함수(work function)로 알려진 특성을 가지고 있으며, 이는 전자를 얼마나 단단히 붙잡을 수 있는지를 정량화함. 두 개의 다른 물질이 접촉하면 전자는 더 작은 일 함수를 가진 물질에서 더 큰 일함수를 가진 물질로 이동하여 전자는 양전하를 띠고 후자는 음전하를 띠게 됨. 이것은 머리카락에 풍선을 문지르면 정전기가 발생하는 것과 같은 현상임. α-RuCl3은 원자 두께가 1 층 또는 소수인 2 차원 층으로 박리된 경우에도 매우 높은 일함수를 가지고 있기 때문에 나노 물질 중에서 독특함. 이를 알고 컬럼비아 연구진은 α-RuCl3 위에 그래핀으로 구성된 원자 규모의 스택을 만들었음. 예상대로 그래핀에서 전자가 제거되어 전도성이 높고 외부 게이트를 사용하지 않고도 플라즈몬 폴라리톤을 가질 수 있었음. α-RuCl3를 사용하여 그래핀을 충전하면 전기 게이팅에 비해 두 가지 주요 이점이 있음. α-RuCl3는 전기 게이트에서 얻을 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 전하를 유도하는데, 이는 게이트 전극의 절연 장벽이 파괴되지 않는 한도 내에서 전압을 인가할 수 있기 때문임. 또한 그래핀과 기본 게이트 전극 사이의 간격은 "전계 프린징"으로 인해 충전된 영역과 충전되지 않은 영역 사이에 형성된 경계를 흐리게 함. 이것은 새로운 플라즈몬 현상을 나타내기 위해 필요한 그래핀 내에서 그리고 그래핀 가장자리를 따라 날카로운 전하 특징의 실현을 방지함. 반대로, α-RuCl3의 가장자리에서 그래핀의 전하는 거의 원자 규모에서 0으로 떨어져 명확한 경계를 보여줌. 이 연구에서 연구팀의 주요 성과 중 하나는 표준 게이트 장치에서 절연 파괴에 의해 제한되는 한계보다 약 10 배 더 큰 그래핀의 전하 밀도를 달성한 것임. 또한, 전자 전하의 원천인 α-RuCl3가 그래핀과 직접 접촉하기 때문에 그래핀의 하전된 영역과 하전되지 않은 영역 사이의 경계가 매우 날카로움. 이를 통해 연구팀은 이들로부터 거울과 같은 플라즈몬 반사를 관찰할 수 있음. 그래핀 가장자리를 따라 전파되는 역사적으로 찾기 힘든 1 차원 가장자리 플라즈몬을 생성함. 연구팀은 또한 두 층 사이에 놓인 오염 물질이 전하 전달을 방해하는 "나노 버블"에서도 날카로운 경계를 관찰했음. 연구팀의 작업은 이전에 환상의 영역이었던 나노미터 전하 제어에 대한 개념을 증명한 것임.

본 연구 성과는 ‘Nano Letters’ (“Charge-Transfer Plasmon Polaritons at Graphene/α-RuCl3 Interfaces”) 지에 게재되었으며, 미국 에너지부가 자금을 지원하고 프로그래머블 양자 재료에 대한 에너지 및 프론티어 연구 센터에서 수행됨.