나노기술 및 정책 정보

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오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)가 이끄는 국제공동연구팀은 양자정보 과학에 필요한 맞춤형 탄소나노 구조의 장벽을 제거하는 원자적으로 정밀한 방법을 사용하여 이산화티타늄 표면에 그래핀 나노리본(탄소 원자의 초박막 띠)을 합성했음. 그래핀은 초경량, 전도성 및 매우 강한 기계적 특성을 갖는 단일 원자 두께의 탄소 층으로 구성됨. 널리 연구되고 있는 이 재료는 고도로 조정 가능한 전자, 광학 및 전송 특성으로 인해 전자 및 정보 과학을 혁신할 가능성이 높음. 나노 리본으로 만들어지면 그래핀은 나노 크기의 장치에 적용될 수 있음. 그러나, 현재의 최첨단 "하향식" 합성 방법(그래핀 시트를 원자폭의 좁은 스트립으로 절단)을 사용하는 데 있어서 원자 규모의 정밀도가 부족하여 그래핀의 실제 사용을 제한하고 있음. 연구팀은 그래핀 나노리본을 원자 수준에서 직접 구축하는 방식인 "상향식"접근 방식을 개발하여 특정 응용 분야에 사용할 수 있도록 제안하였음. 이 절대적으로 정밀한 방법은 그래핀의 세그먼트가 점점 작아지면서 그래핀 단일층의 우수한 특성을 유지하는 데 도움이 되었음. 하나 또는 두 개의 원자 폭 차이만으로도 시스템의 특성을 극적으로 변화시켜 반도체 리본을 금속 리본으로도 바꿀 수 있음.

주사 터널링 현미경에 대한 ORNL의 유일무이한 전문 지식은 전구체 재료를 조작하고 결과를 검증하는 데 있어 연구팀의 성공에 중요했음. 이 현미경을 사용하면 원자 규모에서 물질을 직접 이미지화하고 조작할 수 있음. 바늘 끝은 매우 미세하여 본질적으로 단일 원자 크기임. 현미경은 한 줄씩 움직이고 바늘과 표면 사이의 상호 작용을 지속적으로 측정하여 원자적으로 정밀한 표면 구조지도를 렌더링함.

과거에는 그래핀 나노리본을 제조할 때 금속 기판에서 합성하였는데, 이는 불가피하게 나노리본의 전자적 특성을 억제함. 이러한 리본의 전자적 특성이 설계된 대로 작동하는 것은 최종 목표임. 응용 측면에서 금속 기판을 사용하는 것은 특성을 가리기 때문에 유용하지 않음. 금속 기판을 사용하지 않고 그래핀 나노리본을 제작하는 것은 이 분야에서 큰 도전임. 그래핀 나노리본을 어떻게 효과적으로 분리하여 트랜지스터로 전이할 수 있습니까? 현재의 디커플링 접근법은 초고진공 조건에서 시스템을 준비하여 금속 기판을 에칭해야 하는 다단계 습식 화학 공정을 거치는 것을 포함함. 이 프로세스는 시스템을 만들 때 세심하고 엄밀한 정밀도와 모순됨. 비금속 기판에서 작동하는 프로세스를 찾기 위해 연구팀은 금속에 사용되는 전략을 모방하여 산화물 표면을 실험하기 시작했음. 결국 플루오로 아렌 화학을 전문으로하는 유럽 화학자 그룹을 찾아 금홍석 이산화티타늄 표면에 그래핀 나노리본을 직접 합성할 수 있는 화학 전구체 설계를 시작했음. 표면 합성을 통해 매우 높은 정밀도로 재료를 만들고 이를 달성할 수 있도록 분자 전구체로 시작했음. 특정 특성을 얻기 위해 필요한 반응은 기본적으로 전구체에 프로그래밍됨. 연구팀은 반응이 발생할 온도를 알고 있으며 온도를 조정하여 반응 순서를 제어 할 수 있었음. 표면 합성의 또 다른 장점은 전구체로 사용할 수 있는 물질의 광범위한 후보군을 통해 높은 수준의 프로그래밍 가능성을 허용하는 것임.

시스템을 분리하기 위한 화학 물질의 정확한 적용은 또한 개방형 쉘 구조를 유지하는 데 도움이 되었음. 연구원들은 원자 수준에서 고유한 양자 특성을 가진 분자를 구축하고 연구할 수 있도록 했음. 이러한 그래핀 리본이 양자 스핀 상태라고도 하는 자기 상태를 결합한 것을 발견하였음. 이 상태는 양자 정보 과학에서 응용 프로그램을 위한 큐비트를 생성할 수 있도록 하는 자기 상호 작용을 연구할 수 있는 플랫폼을 제공함. 탄소 기반 분자 물질의 자기 상호 작용에 대한 방해가 거의 없기 때문에 이 방법을 사용하면 물질 내에서 오래 지속되는 자기 상태를 프로그래밍 할 수 있음.

그들의 접근 방식은 기판에서 분리된 고정밀 리본을 생성하며 이는 스핀트로닉스 및 양자정보 과학 애플리케이션에 적합함. 결과 시스템은 온/오프 신호를 전달하는 데 필요한 전자 상태 사이의 공간에 걸쳐 넓은 밴드 갭을 갖는 나노 스케일 트랜지스터로 추가 탐색 및 구축하기에 이상적으로 적합함.

본 연구 성과는 ‘Science’ (“Rational synthesis of atomically precise graphene nanoribbons directly on metal oxide surfaces”) 지에 게재됨