나노기술 및 정책 정보

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중국 칭화(淸華) 대학교 화학학부 차오화창(曹華强) 교수 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 전기화학 수단을 이용하여 산소분자 농도를 제어하고 지그재그(zigzag) 타입의 나노벨트(nano belts)를 개발하였으며, 전류밀도에 대한 조절을 통해 블랙 포스포린(black phosphorene) 나노시트, 나노벨트와 양자점 제조에 대해 제어 가능함을 보임. 이론계산을 통해 산소분자가 블랙 포스포린에 대해 특정방향 절단의 메커니즘을 해석하는데 성공함.

연구팀은 이번 연구를 통해 개발한 블랙 포스포린 나노벨트를 이용하여 필드효과 트랜지스터를 개발한 동시에 필드효과 트랜지스터의 캐리어전송 특성에 대한 심층적인 연구를 실행하여 혁신 성과를 취득하였음.

블랙 포스포린 2차원 나노구조는 단일원자층 블랙 포스포린과 적은 층의 블랙 포스포린(<10층)을 포함하고 있음. 그래핀과는 달리 블랙 포스포린 자체는 밴드갭 및 독특한 이방성을 보이고 있음.

연구팀은 이론계산 및 예측을 통해 블랙 포스포린 지그재그(zigzag) 방향은 안락의자(armchair) 타입에 비해 더욱 우수한 열학(熱學), 역학 및 반도체 특성을 보이고 있다는 결론을 도출하였음. 지그재그 방향의 블랙 포스포린 나노벨트는 열전(熱電), 플렉시블전자와 양자정보기술 등 분야에서의 폭넓게 응용될 것이라고 전망하였음.

하지만 블랙 포스포린의 안정성 및 기존의 합성기술 제한으로 응용은 어려움에 처해 있으며, 블랙 포스포린 나노벨트의 관련 중요 보틀넥이 중요한 과제로 대두된 상황임.

블랙 포스포린이 공기에서 산화 분해되는 특징에 근거하여 연구팀은 전기화학 방법을 이용하고 전류밀도를 통해 이온이 삽입층에 진입하는 속도와 블랙 포스포린 주변의 산소분자 농도를 조절하는 방법을 통해 블랙 포스포린 나노구조의 차원과 사이즈를 제어하여 제조함. 다양한 블랙 포스포린 나노구조를 개발하였는데 구체적으로 나노시트, 나노벨트와 양자점이 포함되고 있음. 연구팀이 구조표면 특징 분석을 통해 개발한 블랙 포스포린 나노벨트는 이상적인 결정 특성과 유연 특성을 가지고 있는 것으로 나타났음.

연구팀이 제시한 전기화학 분리 메커니즘은 제조과정을 2개 단계로 나누는데 이온 삽입층과 산소구동 분리과정 2개 단계임. 전기화학 과정 속에서 BF4- 이온을 블랙 포스포린 a축 방향(즉 [100] 방향, 지그재그(zigzag)에 따른 방향)에 따라 블랙 포스포린 결정체 사이에 삽입 하는 동시에 분자가 화학흡착이 되고 블랙 포스포린 표면상에서 형성된 서스펜션 키(suspension key)가 산소 상에서 분리되도록 하여, 서스펜션 키 산소와 물분자 형성 수소키 및 P-O-P 물분해를 통해 P-P 키를 차단시키고, 지그재그(zigzag) 방향에 따라 "지퍼를 여는 방식"으로 지속적으로 진행하게 되면 나노벨트로 분리할 수 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 이론계산을 통해 각종 산소분자가 블랙 포스포린에서 흡착되고 분리되는 루트에 대한 비교분석을 실행하였으며, 형성된 갭 산소가 블랙 포스포린 결정체 P-P 키를 분리시키고 최종적으로 지그재그(zigzag) 방향이 블랙 포스포린 나노밸트를 형성하는 관건적인 단계가 된다는 점을 입증하였음.

연구팀은 "구리네트 마스킹(copper net masking)" 방법을 이용하여 블랙 포스포린 나노벨트에 기반한 필드효과 트랜지스터 디바이스를 개발하고, 동 디바이스가 캐리어 수송 과정에서 나타내는 특성을 분석하였으며, 디바이스 p-n 타입 사이에서의 전환을 실현함으로써 블랙 포스포린 나노벨트가 능동형 매트릭스 디스플레이 기술, RF 디바이스 및 CMOS 금속산화물 반도체 디바이스 기술 분야에서의 응용을 위한 관건 소재를 제공하고, 새로운 연구 방향을 개척하였음.

연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("Unzipping of black phosphorus to form zigzag-phosphorene nanobelts") 지에 게재됨.