나노기술 및 정책 정보

• 목록

단일 원소 2차원 소재는 중요한 물리적 특성을 가지므로 나노 전자 디바이스 분야에서 큰 응용 잠재력을 가짐.

보로핀(borophene)은 붕소 원소로 구성된 2차원 평면 구조이기 때문에 이론적으로는 그래핀 못지않은 우수한 물리적 특성, 예를 들면 금속성, 높은 기계적 유연성, 높은 열전도성 등을 가지고 있을 뿐만 아니라 디랙 전자, 초전도 등 양자 특성도 보임.

붕소 원자는 탄소 원자에 비해 원자가가 한 개 부족하기 때문에 붕소 원자 사이의 화학적 결합이 더 복잡하기 때문에 형성된 평면 구조는 3각형 조밀한 축적 격자를 기반으로 홀(hole)형 구조이며, 홀의 다른 배열에 따라 다양한 보로핀(borophene) 원자 구조를 형성함.

2016년 중국과학원 물리 연구소 산하의 "베이징(北京, 북경) 응집물질물리 국가 연구 센터" 소속 "표면 실험실"의 "SF9 그룹" 우커후이(吴克輝, 오극휘) 연구원 연구팀은 초고(超高) 진공(眞空) 분자 빔 에피성장(MBE)으로 단일 원자 층 구축 방법을 이용하여 Ag(111) 기판에 단일 층 보로핀(borophene)을 성장시키고, 보로핀(borophene)의 다양한 종류의 순수 위상을 보유한 3각형 격자 속에서의 다른 주기의 홀 구조를 발견함.

연구팀은 보로핀(borophene)의 다양한 순수 위상은 본질적으로 다른 폭의 준(準) 1차원 붕소 체인으로 구성되어 있다는 것을 발견함. 이런 다양한 유형의 준 1차원 붕소 체인을 유닛 단위로 삼아 다양하게 조합시키면 완전히 새로운 인공 보로핀 상이 생성될 수 있음. 이는 보로핀 구조의 다양성을 풍부하게 할 뿐만 아니라 새로운 양자 특성을 가진 2차원 붕소 구조를 구축할 수 있으며 물리적 특성을 더욱 풍부하게 할 수 있음.

연구팀은 보로핀(borophene) 원자 구조이 제어 가능한 제조에 대한 연구를 계속함. 분자 빔 에피성장(MBE)을 이용하여 Ag(100) 단결정 표면에서 다른 보로핀의 장거리 정렬된 위상 구조를 제조하였음.

연구팀은 두 가지 브로핀 상은 두 가지 다른 종류의 붕소 체인[(2,3) 체인과 (2,2) 체인]을 다른 고정 비율을 가지고 있는 하이브리드 과정을 통해 장거리 정렬된 상을 개발한 동시에 두 가지 체인 비례를 가지고 있는 하이브리드 상은 기판의 결정체 방향에 따라 잘 분리될 수 있음.

연구팀은 스캐닝 터널링 현미경(STEM)을 통해 표면 특성 분석과, 제1 원리 계산을 하여 하이브리드 체인 상 형성 메커니즘을 해석하였음. 연구팀은 보로핀(borophene) 구조 유닛과 Ag(100) 표면 인터페이스 상호 작용 조정을 통해 격자 매칭 및 붕소 체인이 기판 방향에 따라 두 가지 하이브리드 상을 형성시키는 데 중요함을 입증하였음.

연구팀이 취득한 장거리 하이브리드 상은 보로핀(borophene)의 순수 상이 받는 응력 변화보다 작고, 기판과의 상호 작용이 더욱 취약한 것으로 나타났는데, 이론적으로 예측한 독립적인 브로핀(기판이 없음)이 고유한 물리 특성을 나타낼 수 있다는 점을 의미함.

보로핀(borophene) 구조의 다양성은 보로핀으로 하여금 물리 혹은 화학 특성에 대한 연속적인 조정이 가능하며, 하이브리드 상의 성공적인 성장은 보로핀 구조로 하여금 다양성을 가지면서 조정 가능성을 부여할 수 있다는 점을 입증하였음.

연구팀은 기판에 대한 특정 제조를 통해 보로핀을 합성하고, 기판에 대한 조정을 통해 신형 보로핀을 제조하는 새로운 공법을 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Materials’ ("Realization of Regular-Mixed Quasi-1D Borophene Chains with Long-Range Order") 지에 게재됨.