나노기술 및 정책 정보

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중국 하얼빈(哈爾濱, 합이빈) 공업대학교 화공 및 화학대학 위먀오(于淼) 교수 연구팀은 그래핀 기능화 연구에서 중요한 진전을 이루었음.

연구팀은 그래핀의 광 정밀 기능화 관련 첫 연구 사례에 속함. 연구팀은 로컬 하이브리드 모델에 대한 정밀 제어를 통해 그래핀 밴드 갭을 열고, 최초로 원자 사이즈에서 그래핀 2차원 장거리 질서 기능화를 실현함으로써 광전자 디바이스 분야에서 그래핀 베이스 2차원 소재 응용이 직면하고 있는 핵심적인 난제에 대해 해결 방법을 제공하였음.

2차원 소재로서 그래핀은 제일 얇은 동시에 제일 단단한 2차원 소재에 속하며, 우수한 전도성, 열전도성, 광학 특성과 안정성을 보유하고 있기 때문에 우주 및 항공, 태양에너지 이용, 투명 터치스크린, 전자 디바이스, 센서 탐사 측정, 바이오 의료, 웨어러블 디바이스, 고성능 복합 소재 등 분야에서 폭넓게 응용되고 있으며, 특히 그래핀은 실온 하에서 초고(超高) 전자 이전 비율을 보유하고 있기 때문에 전통적인 실리콘 베이스 소재를 대체하여 마이크로 전자 및 슈퍼컴 분야에서 응용될 것으로 전망됨.

하지만 그래핀의 제로 밴드 갭은 실제 응용의 가능성을 제한하고 있으며, 과거 몇 십 년 간 이미 다양한 방법을 그래핀 기능화에 사용하여 밴드 갭을 열고 있는데 예를 외부 원자 도핑, 나노 입자 수정, 나노 구조 그래핀 제조, 표면 흡착 등의 방법을 사용하고 있지만 그래핀 로컬 하이브리드에 대해 장거리 질서 정연한 원자 레벨의 정밀 조정 및 제조는 현재까지도 세계적인 난제로 남아 있는 상황임.

연구팀은 말레이 아미드와 더블 카르복실산 기능 그룹을 BCM 분자를 이용하여 단일층 그래핀 표면에 분자 간의 이중 수소 결합을 형성시키고, 2차원 확장을 커버하는 질서 있는 네트워크를 구축하고, 자외선 복사를 통해 초고(超高) 진공 조건에서 분자 네트워크와 그래핀 베이스 면 간의 광 발생 링 추가 반응을 촉발시켰음.

스캐닝 터널 현미경, 적외선 흡수광 스펙트럼, 각도 분별 광전자 스펙트럼, 라만 스펙트럼과 밀도 범함수 계산 결과에 따르면, 광 발생 링 추가 반응은 [2+2]와 [2+4] 링 플러스를 포함하고, 반응 위치점은 고도의 공간 선택성으로 특정 대칭성과 사이클(2.65nm) 특성을 보유한 2차원 장거리 순서적인 배열을 실현하였음. 반응의 발생과 배열의 형성은 그래핀 무늬에 의존하지 않는 것으로 나타났으며, 광 발생 반응은 그래핀 로컬 하이브리드 모델에 대해 정밀 조정을 통해 그래핀 전자 구조를 개변시키고 밴드 갭(170meV)을 효과적으로 도입시키는 것으로 나타났음.

장시간 담금, 가열, 전기 펄스와 프로브 압력 등 반응을 촉발시키는 방식과 달리 광 발생 반응은 높은 열 흡수 반응을 위해 실용적인 솔루션을 제공할 뿐만 아니라 간편성, 원격 제어 가능성, 기타 광 관련 기술(예를 들면 포토리소그래피(Photolithography))의 호환성은 전자 및 광전자 디바이스 분야에서의 실제 응용에 더욱 유리한 것으로 나타났음.

연구팀의 이번 연구는 최초의 그래핀과 분자 네트워크 반응 사례에 속하며, 그래핀 전자 구조에 대해 정밀하고 순서적인 장거리 조절을 실행할 수 있는 효과적인 루트를 제공하였는데 관련 연구개발 성과는 광유도 표면 합성 반응을 한층 더 발전시키는 면에서 중요한 의미를 가짐.

연구팀은 로컬 하이브리드의 정밀 조정 제어 및 기능화 후 그래핀의 장거리 순서적인 특징을 분석하였으며, 그래핀에 기반한 첨단 나노 전자 및 광전자 디바이스 발전에 필요한 루트를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Nature Chemistry’ ("Long-range ordered and atomic-scale control of graphene hybridization by photocycloaddition") 지에 게재됨.