나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 허폐이(合肥) 물질과학 연구원 산하 "강자기장(strong magnetic field) 과학 센터" 연구팀은 동 연구원 산하 고체물리 연구소 연구팀과 공동 연구를 통해 2차원 강자성(ferromagnetism)/반(反) 강자성 소재에 대한 시리즈 연구를 수행하고, 2차원 자성 소재 퀴리 온도 상승(실온 강자성 탄소 나노 시트), 2차원 강자성 소재 유형 확장(2차원 유기 반(反) 강자성 폴리머) 분야에서 혁신성과를 취득하였음.

연구팀은 공동 연구과정에서 뷔르츠 반응(Wurtz reaction)을 이용하여 내부에 삽입하는 흑연 나노 결정의 비정질(amorphous) 탄소 나노 시트를 합성한 동시에 흑연 나노 결정의 지그재그 에지(zigzag edge)로 인해 발생하는 실온 강자성 강도가 0.22emu/g 수준에 도달하여 지금까지 보고된 점 결함 유도의 흑연 상온 강자성 강도 수준보다 2개 수량 등급이나 더 높다는 점을 발견하였음.

연구팀은 심층적인 실험을 통해 제일원리 계산과 결합하여 탄소 나노 시트의 자성은 주로 톱니 모양 경계(Zigzag boundary) 간의 거리에 의존하며, 거리가 3.6nm 수준에서 0.8nm 수준으로 감소됨에 따라 경계 간의 마그네트 특성 커플링은 강자성에서 반(反) 강자성으로 전환된다는 점을 발견하였음. 상온 강자성은 2차원 마그네트 특성 소재 응용을 실현할 수 있는 전제 조건이 된다는 점을 발견하였는데 이번 발견은 탄소 베이스 마그네트 특성 소재 응용을 가능할 수 있게끔 하여 그 의미가 주목되고 있음.

대량의 무기 2차원 마그네트 특성 소재 연구는 현재까지 2차원 유기 마그네트 특성 소재의 제조 면에서 여전히 큰 도전에 직면해 있는데, 2차원 유기 강자성 소재만 발견한 상황이고, 반(反) 강자성 거동을 보이는 유기 소재에 대한 개발은 아직 이루어지지 못한 상황임.

연구팀은 이번 연구를 통해 우선 3(2, 3, 5, 6-4염소-4-아세틸렌기 페닐기)메틸 자유기를 단일체로 합성한 다음 액체/액체 인터페이스에서 자유기 단일체 중합(polymerization)을 통해 독립적인 2차원 유기 마그네트 특성 중합 자유기(OMP) 나노 시트를 개발하였으며, 자유기 사이의 마그네트 교환 커플링을 통해 반(反) 강자성 특성을 보유하고 있는 2차원 OMP 나노 시트를 개발하였는데 Nair temperature가 42.5K 수준에 도달하는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 최초로 반(反) 강자성 특성을 보유한 2차원 유기 소재를 인공적으로 제조하였는데, 동 소재는 2차원 유기 스핀 전자 디바이스의 기본 구성 요소로 응용될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 ‘The Journal of Physical Chemistry C’ ("Edge-Induced Room-Temperature Ferromagnetism in Carbon Nanosheets")지에 게재됨.