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van Hove 특이점은 본질적으로 결정질 고체의 상태 밀도 (DOS)에서 평활하지 않은 지점임. 그래핀이 이 특정 에너지 수준에 도달하거나 그에 가까워지면 전자 구조에서 매우 많은 수의 전자를 차지할 수 있는 평평한 밴드가 발생함. 이것은 물질의 특이 상태 존재를 촉진하거나 가능하게 하는 강력한 다체 상호작용으로 이어짐. 지금까지 개별 위상이 안정화되기 위해 그래핀의 사용 가능한 에너지 수준이 전자로 채워져야 하는 정확한 정도(즉, "도핑")는 모델 계산을 사용하여 결정하기가 매우 어려웠음. 그래핀을 van Hove 특이점으로 또는 그 이상으로 도핑하는 데 사용할 수 있는 기술을 식별하거나 설계하는 것은 궁극적으로 물질의 특이 위상과 관련된 흥미로운 관찰로 이어질 수 있으며, 이는 새로운 그래핀 기반 기술의 개발을 향한 길을 열 수 있음.

독일의 막스 프랑크 연구소(Max Planck Institute for Solid State Research) 연구팀이 최근 van Hove 특이점을 넘어서 그래핀을 과도핑하는 접근법을 고안했음. 그들의 방법은 이테르븀 삽입과 칼륨 흡착이라는 두 가지 다른 기술을 결합함. 그래핀을 van Hove 특이점에 도핑하는 것은 그 자체로 어려운 작업임. 단위 cm2 당 100 조(10^14) 개 이상의 전자를 그래핀 층으로 전달해야하기 때문임. 그래핀의 도핑은 그 위에 다른 원자 종을 증착하여 달성할 수 있으며, 그 위에 전자 일부를 기증함.

인터칼레이션(intercalation)으로 알려진 그래핀을 도핑하는 대체 방법은 그래핀과 지지 기판 사이에 도핑제를 끼우는 것임. 지난 10 년 동안 이 기술은 재료의 전자적 특성을 조정하는 데 매우 유용한 것으로 입증되었음.

일반적으로 증착과 삽입 방식을 결합하더라도 그래핀의 캐리어 밀도는 임의의 값으로 증가하기 어려움. 이는 주로 전하 이동이 결국 포화되어 특정 수준 이상으로 도핑되지 않기 때문임.

최근에 거대한 도핑 효율로 인해 특정 희토류 원소의 삽입이 이미 반 호브 특이점에서 그래핀을 고정하기에 충분하다는 것을 발견했음. 이 경우 그래핀의 표면은 여전히 추가 도펀트를 차지할 수 있음. 이테르븀 삽입 그래핀의 van Hove 시나리오에서 시작하여 상단에 칼륨 원자를 증착하여 캐리어 밀도를 1.5 배 더 높일 수 있었음.

실험에서 연구원들은 이테르븀 삽입 및 칼륨 흡착 방법을 사용했음. 이 접근 방식을 통해 van Hove 특이점을 넘어 반도체 SiC (SiC) 기판에 배치된 그래핀 층을 도핑하여 5.5 x 10^14 cm^-2의 전하 캐리어 밀도에 도달 할 수 있었음.

연구팀이 사용한 전략을 부피가 큰 물체를 계단을 통해 최상층까지 운반해야하는 일상적인 상황과 비교할 수 있음(이 경우 van Hove 특이점을 넘어서). 이는 동시에 아래에서 밀고 (즉, 이테르븀 삽입) 상단에서 당기면 (즉, 칼륨 흡착) 가능해질 수 있음.

연구팀이 수행한 연구는 실험 환경에서 van Hove 특이점 이상으로 그래핀을 도핑하는 것이 실제로 가능하다는 것을 증명함. 연구진은 BESSY II 싱크로트론인 Helmholtz-Zentrum Berlin에서 수행한 테스트에서 각도 분해 광전자 분광법이라는 기술을 사용하여 그래핀 시스템을 조사했음. 이 방법은 그래핀의 에너지 밴드 구조와 도핑을 통한 진화를 직접 시각화할 수 있음. 시스템이 처음에 엄청난 수의 전하 캐리어를 차지하는 특이점 수준에 고정되었기 때문에 과도핑의 가능성이 이전에는 분명하지 않았음. 그래핀의 도핑을 새로운 수준으로 끌어 올림으로써 이 프로토 타입 2 차원 재료의 위상 다이어그램에서 새로운 미개척 분야를 열어줌.

본 연구 성과는 ‘Physical Review Letters’ (“Overdoping Graphene Beyond the van Hove Singularity”) 지에 게재됨