나노기술 및 정책 정보

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그래핀 나노리본(Graphene Nanoribbons, GNR)은 구조에 따라 준(準)금속 혹은 반도체 특성을 보이는 1차원 나노구조임. 이런 특성은 GNR의 키랄(Chiral)에 의해 결정되며 구체적으로 폭, 결정격자 방향 선정 및 가장자리 구조가 포함되고 있으며, 서로 다른 가장자리 구조에 따라 GNR은 "톱니 모양(ZZ)"과 "팔걸이의자 형태(AC)"로 나눌 수 있음.

GNR은 전자의 높은 이동속도와 전류운반 능력을 가지고 있으면서 양자 제한과 가장자리 효과로 인해 밴드 갭을 열 수 있는 특성이 있음. 이런 특성은 GNR로 하여금 나노스케일 필드 효과 트랜지스터, 스핀 전자 디바이스와 칩 내부 배선을 포함한 후보 소재가 될 수 있도록 하지만 절연기판 표면에서는 가장자리 특이성을 가진 서브 5나노 폭의 GNR를 제어 가능하게 제조하는 것은 여전히 난제로 남아 있음.

최근 중국과학원 상하이(上海, 상해) 마이크로 시스템 및 정보기술 연구소 왕하오민(王浩敏, 왕호민) 연구원 연구팀은 최초로 육방정계 질화붕소(h-BN) 표면에서 키랄 제어 가능한 GNR을 제조하고 수송 특성에 대한 연구를 수행하였음.

h-BN은 우수한 화학적 및 열적 안정성을 갖춘 광대역 갭(Broadband gap) 2차원 소재에 속하는데 h-BN은 6각형 벌집 네트워크의 결정 구조와 원자 레벨의 평탄도 표면을 가지고 있어 GNR 본질 특징의 전기화학적 특성을 유지하는데 이상적인 기판임.

왕하오민(王浩敏, 왕호민) 연구원 연구팀은 실란 도입을 통해 기상 촉매를 실행하여 h-BN 표면에서 그래핀 결정 도메인의 빠른 성장과 경계에 대한 조정 제어를 실현하였으며, 최초로 h-BN 그루브(groove)를 성장 템플릿으로 사용하고 방향이 확정된 GNR의 제어 가능한 성장을 실현하여 밴드 갭을 오픈 하였음. 이번 연구는 h-BN 기판에서 서브 5나노 폭의 키랄 제어(Chiral controllable) 가능한 GNR 제조하기 위해 기반을 마련하였음.

연구팀은 다른 금속 나노입자를 이용하여 h-BN 표면에 가장자리가 평평한 동시에 특정 방향(ZZ와 AC)에 따른 단일 원자층 두께의 그루브(groove)를 에칭(Etching)하고, 화학 기상증착 방법을 통해 그루브 속에서 폭이 5나노보다 작은 고품질의 방향 제어 가능한 GNR을 제조하는데 성공하였음.

연구팀은 빈 대학교(University of Vienna) Jannik Meyer 교수 연구팀과 협력하여 주사형 투과전자현미경(Scanning Transmission Electron Microscope)을 이용하여 그래핀과 h-BN 경계에서 면(面) 안팎의 성장 방식을 해석하였으며, 원자 레벨의 평평한 GNR 가장자리를 제조하였음.

연구팀이 추가적인 전기 운송에 대해 측정을 실행한 결과, 모든 서브 5나노 폭의 ZGNR은 모두 0.4eV보다 큰 밴드 갭을 보이고, 좁은 AGNR의 밴드 갭은 폭 변화에 따라 크게 변화하는 것으로 보였음. 밴드 갭이 비교적 큰 GNR로 만들어진 트랜지스터는 실온에서 스위치 비율이 10^5보다 크고, 캐리어 이동률이 1500cm^2 /V s보다 높은 것으로 나타났음.

그 외, 8^-10 나노 폭의 ZGNR 전이 곡선에서 뚜렷한 전기 전도도 피크가 관찰되고 있으나 대부분의 AGNR에서는 관찰되지 않았음. GNR의 자기 수송에 대한 연구 결과로 ZGNR은 비교적 작은 자기 전도도를 가지고 있으며, AGNR은 더욱 높은 자기 전도도를 가지고 있음.

연구팀은 최초로 키랄 제어 가능한 GNR을 h-BN 결정격자에 집적함으로써 원자층 두께의 고성능 집적회로 개발을 위해 중요한 발걸음을 내디뎠으며, 극히 얇은 두께를 가지고 있는 복잡한 나노 집적회로에 대한 조종 및 제어와 적층(stacking) 구현을 위해 새로운 방법을 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Nature Materials’ ("Towards Chirality Control of Graphene Nanoribbons Embedded in Hexagonal Boron Nitride") 지에 게재됨.