나노기술 및 정책 정보

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영국의 맨체스터 대학교(University of Manchester) 연구팀이 반 데르 발스 이종 구조라고 하는 특이한 인공 나노 장치를 형성하는 얇은 원자층 사이의 각도("비틀림")를 미세 조정하여 차세대 전자 장치 개발을 가속화할 수 있는 새로운 방법을 공개했음. 이 새로운 기술은 반 데르 발스 이종 구조(특이한 특성과 흥미로운 새로운 현상을 자랑하는 나노 스케일 장치)를 형성하기 위해 서로 겹쳐진 2D 재료의 실시간 회전 및 조작을 달성할 수 있음. 비틀림 각도 조정은 2D 재료의 토폴로지 및 전자 상호 작용을 제어함. '트위스트로닉스'라고 하는 이러한 프로세스는 최근 몇 년 동안 물리학에서 떠오르는 연구 주제임. 연구팀의 기술은 동적으로 조정 가능한 광학적, 기계적 및 전자적 특성을 가진 뒤틀린 van der Waals 이종 구조를 가능하게 함. 예를 들어, 이 기술은 2 차원 결정의 van der Waals superlattices를 구축하기 이해 자율 로봇 조작에 사용될 수 있음. 이를 통해 2D 재료의 정확한 위치 지정, 반 데르 발스 재료의 전자 및 양자 특성을 미세 조정하기 위한 비틀림 각도회전 및 조작을 통해 원하는 재료를 제작할 수 있음. 2 차원 결정의 층을 서로에 대해 회전하면 모아레 패턴이 형성되며, 여기서 모아레 2 차원 결정의 격자가 초격자를 형성함. 이 초격자는 강력한 전자 상관 관계, 프랙탈 양자 홀 효과 및 초전도를 포함한 많은 새로운 현상을 관찰할 수 있도록 시스템에서 전자의 동작을 완전히 변경할 수 있음. 연구팀은 그래핀이 "백색 그래핀"이라고 불리는 6각형 질화붕소의 상부 및 하부 캡슐화 층과 완벽하게 정렬된 이종 구조를 성공적으로 제작하여 두 인터페이스에 이중 모아레 초격자를 생성함으로써 이 기술을 시연했음. 이 기술은 대상 2D 결정의 폴리머 레지스트 패치와 2D 재료의 회전 및 위치를 정확하고 동적으로 제어할 수 있는 폴리머 겔 조작기에 의해 중재됨. 연구팀의 기술은 마이크로 조작기 또는 마이크로 전자 기계 장치를 사용하여 극저온 측정 시스템에 트위스트로닉을 가져올 수 있는 잠재력을 가지고 있음. 연구진은 폴리 디메틸 실록산(PDMS) 방울이 있는 유리 슬라이드를 조작기로 사용했으며, 이는 경화되면 자연적으로 반구 형상으로 형성되었음. 그 동안 그들은 표준 전자빔 리소그래피를 통해 타겟 2D 결정 위에 에피 택셜 폴리 메틸 메타 크릴 레이트(PMMA) 패치를 의도적으로 증착했음. Heterostructure에서 타겟 플레이크를 조작하는 단계는 따라하기 쉬움. 폴리머 젤 핸들을 낮추면 PDMS 반구가 PMMA 패치와 접촉하게 됨. 서로 닿으면 바닥 플레이크의 표면에서 대상 2D 결정을 쉽게 이동하거나 회전할 수 있음. 2-D 플레이크의 이러한 부드러운 움직임은 두 결정 구조 사이의 초고유도를 기반으로 함. Superlubricity는 특정 조건에 따라 원자 적으로 평평한 표면 사이의 마찰이 사라지는 현상임. 조작 기술은 이종 구조 조립 후에도 레이어 간의 비틀림 각도를 지속적으로 조정할 수 있음. 필요에 따라 에피택셜 PMMA 패치를 임의의 모양으로 디자인 할 수 있으며 일반적으로 대상 플레이크에 맞는 형상을 취함. PMMA 패치는 아세톤으로 쉽게 씻어 내고 리소그래피로 다시 패터닝할 수 있기 때문에 조작 기술이 편리하고 재현 가능함. 일반적으로 신중하게 제작된 PDMS 반구와 2D 크리스탈 사이의 접촉 면적은 반구 반경에 따라 달라지며 접촉력에 매우 민감하여 대상 2D 크리스탈의 움직임을 정확하게 제어하기가 어려움. 에피택셜 PMMA 패치는 조작 기술에서 중요한 역할을 함. 우리의 트릭은 폴리머 겔 매니퓰레이터의 접촉 영역이 에피택셜 폴리머 층의 패턴화된 모양으로 정밀하게 제한된다는 것임. 이것이 정밀한 제어를 실현하는 열쇠로 더 큰 제어력을 적용할 수 있음. 원자간력 현미경(AFM)에서 특별히 제작된 형상의 팁으로 결정을 밀어내는 것과 같은 2D 재료의 다른 조작 기술과 비교할 때 in situ twistronics 기술은 비파괴적이고 두께에 관계없이 플레이크를 조작 할 수 있음. 반면에 AFM 팁은 두꺼운 플레이크에만 더 잘 작동하며 얇은 플레이크를 파괴할 우려가 있음. 그래핀과 육각형 질화붕소의 완벽한 정렬은 twistronics 응용 분야에서 기술의 잠재력을 보여줌. 실시간 조작 기술을 사용하여 연구진은 모든 층 사이의 완벽한 정렬을 실현하기 위해 질화붕소 / 그래핀 / 질화붕소 헤테로 구조에서 2D 층을 성공적으로 회전시켰음. 결과는 이종 구조의 두 인터페이스에서 이중 모아레 초격자의 형성을 보여줌. 또한 연구팀은 2 차(복합) 모아레아큐트의 특징을 관찰했습니다. 이는 이중 모아레아큐트에 의해 생성된 패턴이나 초격자일 때 나타남. 완벽하게 정렬된 그래핀과 질화붕소를 가진 이 헤테로 구조는 twistronics에서 조작 기술의 잠재력을 보여줌. 연구팀은 이 기술이 다른 2D 재료 시스템으로 쉽게 일반화될 수 있으며 적절한 체제에서 벗어난 모든 2D 시스템에서 가역적 조작을 허용할 수 있을 것으로 기대함.

본 연구 성과는 ‘Science Advances’ ("In situ manipulation of Van der Waals heterostructures for twistronics") 지에 게재됨