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중국과학원 허폐이(合肥) 물질과학 연구원 산하 "고체 물리 연구소" 소속 "기능 소재 연구실" 연구팀은 최근 관련 연구를 실행하는 과정에서 "톱 타운(Top-Down)"의 습식 화학(wet chemistry) 방법을 이용하여 거대 사이즈의 V4C3Tx MXene 2차원 소재를 개발하는데 성공하여 이슈가 되고 있음.

MXene는 화학 에칭(Etching) MAX 상 화합물(Mn+1AXn, M 전이 금속(transition metal)이며, A는 주족 원소(Main family elements)이며, X는 C 혹은 N 원소이며, n=1, 2, 3) 중의 "A" 원소를 통해 일종 신형 2차원 층상(層狀) 소재를 개발하게 됨.

MXene는 풍부한 물리 및 화학 특성을 보유하고 있기 때문에 전기화학 에너지 저장, 전자기 차폐, 센서, 광/전기 촉매 등 분야에서 거대한 응용 전망을 보유하고 있을 뿐만 아니라 전자와 광자 디바이스 분야(예를 들면, 쇼트키 다이오드(Schottky diode), 광전자 탐사 측정기기, 투명 전기전도, 전자 접촉 소재 등)에서 우수한 성능을 나타내고 있는 상황임.

하지만 MXene 소재는 일반적으로 화학 에칭 MAX 상 화합물의 다결정(Polycrystalline) 파우더(사이즈는 38미크론보다 작음)를 통해 취득하게 되기 때문에 현재 취득한 MXene 소재의 사이즈는 미크론 레벨 혹은 미크론 레벨보다 더 작은 상황인데 이런 상황은 전자와 광자 디바이스 상에서의 응용을 제한하고 있으며, "어떻게 하면 비교적 큰 사이즈, 심지어 거시적 사이즈를 보유한 2차원 MXene 소재를 개발할 것인가"는 시급히 해결해야 할 과제로 남아있는 상황임.

이런 상황 하에서 연구팀은 고온 솔벤트(Cosolvent) 방법으로 고 품질의 미크론 레벨 V4AlC3 단결정을 성장시켰으며, 실온 조건 하에서 불화수소산(hydrofluoric acid)을 이용하여 선택적으로 MAX 상 V4AlC3 단결정 Al층에 대한 에칭을 실행하여 거시적 사이즈의 V4C3Tx MXene 2차원 소재를 개발하는데 성공하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 V4C3Tx MXene 본질 특징을 보유한 광/전자 특성에 대한 측정 테스트를 위해 소재 기반을 제공하였을 뿐만 아니라 기타 종류의 대형 사이즈 MXene 개발을 위해 아이디어를 제공하였으며, MXene 소재가 전자 및 광전자 디바이스 분야에서의 실제 응용을 위해 가능성을 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Inorganic Chemistry’ ("Achieving Macroscopic V4C3Tx MXene by Selectively Etching Al from V4AlC3 Single Crystals")지에 게재됨.