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최근 회전각도가 마각(魔角) 범위(~1.1°)의 이중층 그래핀에서 신기한 양자 현상이 발견됨에 따라 회전 이중층 그래핀에 대해 새로운 연구 분야인 twistronics가 만들어 지고 있음.

일상적인 이중층 그래핀은 AB 스태킹(stacking)을 통해 안정적인 구조를 만들지만 회전 이중 층 그래핀은 표면에서 몰 무늬(molar striped) 초결정체를 나타내는 데 이런 초결정체 사이클과 이중층 그래핀 에너지 밴드 구조는 회전각도 변화에 따라 바뀌게 됨.

현재 실험실 작은 비틀림 각도 이중층 그래핀은 대부분 마이크로 기계 박리 방법과 수공(手工) 스태킹 방법을 통해 제조되는 데 "어떻게 하면 성장 방법으로 작은 비틀림 각도 이중층 그래핀을 제조할 것인가"라는 문제는 현재 해결해야 할 중요한 과제임.

중국과학원 상하이(上海, 상해) 마이크로 시스템 및 정보기술 연구소 왕하오민(王浩敏, 왕호민) 연구원 연구팀은 칭화(淸華, 청화) 대학교 리췬양(李群仰, 이군앙) 교수 연구팀과 최초로 6각 질화 붕소(h-BN) 표면에서 화학기상증착 방법을 통해 다른 회전 각도를 가지는 이중층 그래핀을 제조하고, 작은 회전각도 이중층 그래핀의 국지 지역 원자 재 구성이 수직 전기 전도에 영향을 끼친다는 점을 발견하였음.

연구팀은 불균형 화학기상증착 방법을 통해 h-BN 표면에 다른 회전각도 이중층 그래핀을 제조한 것으로, h-BN 표면에서 우선 단일층 멀티 결정 그래핀 필름을 제조하고, 다음, 표면에서 그래핀 단결정 성장을 유도하고, 최종적으로 h-BN 표면에 다른 회전 각도를 가지는 이중 층 그래핀을 제조하였음.

연구팀은 전기 전도 원자력 현미경(C-AFM)을 이용하여 다른 회전각도 이중층 그래핀의 수직 전기전도도를 측정, 비교하여 작은 회전각도 이중층 그래핀의 수직 전기전도의 각도 의존성을 발견하였음.

연구팀은 베이징(北京, 북경) 과학기술 대학교 가오레이(高磊, 고뢰) 교수 연구팀과 공동연구를 통해, 원자 레벨의 면(面)접촉 상태 모델, 밀도 범함수 이론 계산, 스캐너 터널링 현미경을 이용한 고해상도 표면 특성 분석을 통해 작은 회전각도에서의 전기전도도 거동은 이중층 그래핀의 국지 원자 재 구성으로 인해 평균 캐리어 농도가 감소됨에 따라 나타나는 것임을 발견하였음.

연구팀은 반데르발스(Van der Waals) 소재 중의 원자 레벨 재구성이 수직 전기 전도도에 대한 기여를 분석하였으며, 작은 회전각도 반데르발스 소재의 독특한 물리 거동을 이해하는 가이드와 전기화학 성능 최적화를 위한 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Science Advances’ ("Abnormal conductivity in low-angle twisted bilayer graphene") 지에 게재됨.