나노기술 및 정책 정보

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컬럼비아 대학교(Columbia University School of Engineering and Applied Science) 연구팀이 양자 간섭을 이용하여 와해적인 새로운 화학 설계 원리를 발견했다고 보고함. 연구팀의 접근 방식을 사용하여 온 상태 전류가 오프 상태 전류보다 10,000 배 이상 큰 6 나노 단일 분자 스위치를 만들었음. 현재까지 단일 분자 회로에서 달성된 전류의 on-off 변화에서 가장 큰 값임. 이 새로운 스위치는 지금까지 조사되지 않은 양자 간섭의 일종임. 연구진은 서로 다른 전자 에너지 수준 사이의 파괴적인 양자 간섭을 강화하기 위해 특수 중앙 장치와 함께 긴 분자를 사용했음. 그들은 온 상태에서 0.1 마이크로 암페어를 초과하는 전류를 전달할 수 있는 실온에서 매우 안정적이고 재현 가능한 단일 분자 스위치를 생성하는 데 사용할 수 있음을 입증했음. 스위치의 길이는 현재 시장에 나와 있는 가장 작은 컴퓨터 칩의 크기와 비슷하며 그 특성은 상용 스위치와 유사한 수준에 이름.

지난 45 년 동안 트랜지스터 크기의 꾸준한 감소로 인해 컴퓨터 처리 및 장치 크기가 크게 개선되어 왔음. 오늘날의 스마트폰에는 실리콘으로 만들어진 수억 개의 트랜지스터가 포함되어 있음. 그러나 현재 트랜지스터를 만드는 방법으로는 실리콘의 크기와 성능 한계에 빠르게 접근하고 있음. 따라서 컴퓨터 처리가 더 발전하려면 새로운 재료와 함께 사용할 수 있는 스위칭 메커니즘을 개발해야 함.

나노미터에서 전자는 입자가 아닌 파동처럼 행동하며 전자 수송은 터널링을 통해 일어남. 물 표면의 파동처럼 전자파는 보강간섭하거나 소멸간섭할 수 있습니다. 이로 인해 비선형 프로세스가 발생함. 예를 들어 두 파동이 보강간섭하는 경우 결과 파동의 진폭 (또는 높이)은 두 개의 독립적인 파동의 합보다 큼. 두 개의 파동이 소멸간섭으로 완전히 상쇄될 수도 있음. 분자 규모에서 양자 역학적 효과는 전자 수송을 지배함. 연구원들은 양자 간섭에 의해 생성되는 비선형 효과가 큰 온-오프 비율을 가진 단일 분자 스위치를 가능하게 할 것이라고 오랫동안 예측해 왔었음. 분자의 양자 기계적 특성을 활용하여 회로 요소를 만들 수 있다면 스위치를 포함하여 더 빠르고 더 작고 에너지 효율적인 장치를 만들 수 있음. 단일 분자로 트랜지스터를 만드는 것은 소형화 측면에서 궁극적인 한계를 나타내며 전력 소비를 줄이면서 기하급수적으로 더 빠른 처리를 가능하게 할 잠재력을 가지고 있음. 안정적이고 반복적인 스위칭주기를 유지할 수 있는 단일 분자 장치를 만드는 것은 비교적 간단한 작업임. 연구팀의 결과는 단일 분자 트랜지스터를 만드는 길을 열어둔 것임. 일반적인 비유는 트랜지스터를 파이프의 밸브처럼 생각하는 것임. 밸브가 열리면 물이 파이프를 통해 흐름. 닫히면 물이 차단됨. 트랜지스터에서 물의 흐름은 전자의 흐름 또는 전류로 대체됨. 온 상태에서는 전류가 흐름. 오프 상태에서는 전류가 차단됨. 이상적으로는 온-오프 상태에서 흐르는 전류의 양이 매우 달라야함. 그렇지 않으면 트랜지스터는 밸브가 열려 있는지 닫혀 있는지 알기 어려운 새는 파이프와 같음. 트랜지스터는 스위치 역할을 하기 때문에 분자 트랜지스터를 설계하는 첫 번째 단계는 온-오프 상태 사이에서 전류 흐름을 전환할 수 있는 시스템을 설계하는 것임. 그러나 대부분의 과거 설계에서는 온-오프 상태의 차이가 크지 않은 짧은 분자를 사용하여 누설되는 트랜지스터를 생성했었음. 이에 대한 주요 과제는 화학 설계 원리를 사용하여 양자 간섭 효과가 오프 상태에서 전류를 강력하게 억제하여 누설 문제를 완화할 수 있는 분자 회로를 만드는 것임. 짧은 길이에서 양자 역학적 터널링의 가능성이 더 크기 때문에 짧은 분자의 전류 흐름을 완전히 차단하는 것은 어려움. 그 반대는 긴 분자의 경우임. 이때에는 터널링 확률이 길이에 따라 감소하기 때문에 높은 온 상태 전류를 달성하기 어려운 경우가 많음. 연구팀이 설계한 회로는 길이와 큰 온-오프 비율로 인해 고유함. 따라서 높은 온 상태 전류와 매우 낮은 오프 상태 전류를 모두 달성할 수 있었음. 연구팀이 합성한 긴 분자를 사용하여 장치를 만들었음. 긴 분자는 단일 분자 회로를 생성하기 위해 금속 접점 사이에 쉽게 포획되었음. 회로는 매우 안정적이며 높은 인가전압(1.5V 초과)을 반복적으로 유지할 수 있었음. 분자의 전자 구조는 간섭 효과를 향상시켜 인가전압의 함수로서 전류의 뚜렷한 비선형성을 보이며 오프 상태 전류에 대한 온 상태 전류 비율이 매우 높았음.

단일 분자에서 스위치를 만드는 것은 분자 빌딩 블록을 사용하여 재료의 상향식 설계를 향한 매우 흥미로운 단계임. 회로 구성 요소 역할을 하는 단일 분자로 전자 장치를 만드는 것은 진정한 혁신을 이룰 것임.

본 연구 성과는 ‘Nature Nanotechnology’ (“Highly nonlinear transport across single-molecule junctions via destructive quantum interference”) 지에 게재됨