나노기술 및 정책 정보

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□ 개요

 

○ 주체 : 중국과학원 반도체 연구소 산하 '반도체 초격자(Superlattice) 국가 중점 실험실'

 

○ 특징 : 다양한 포논과 다양한 전자 상태 간의 전기 포논 상호 역할을 차이가 있으며 다양한 전단 모드 간의 주파수 차이가

매우 작다 해도 이런 강도의 공명 라인 타입과 에너지 극치는 차별이 매우 크다는 연구 결론을 도출

 

○ 기술 분야 : 멀티 앵글(Multi-angle) 그래핀의 층 간 커플링 연구

 

○ 핵심 내용 : 인터페이스와 인접된 그래핀 시트(graphene sheets) 층 사이의 전단 커플링도 체(體) 재료의 90% 수준으로

취약해진다는 점을 발견

 

 

□ 주요 내용

 

○ 그래핀은 우수한 전자학 성능과 광학 성능을 보유하고 있기 때문에 더욱 얇고 전기전도 속도가 더욱 신속한 차세대 전자 부품, 트랜지스터와 광전자 디바이스에 용용할 수 있는 것으로 나타났다.

 

○ 그래핀 적층을 통해 여러 층이 겹쳐진 그래핀을 개발할 수 있다. 그래파이트(Graphite)와 동일한 Bernal 스태킹(AB 스태킹) 방식의 멀티 층 그래핀 외, 실험실에서 다양한 그래핀 층 방향 랜덤의 멀티 층 그래핀-멀티 앵글(Multi-angle) 그래핀을 개발 혹

은 합성할 수 있다.

 

○ 스태킹 방식의 차이는 그래핀 시트 층의 다양한 층 간 커플링을 발생시켜 전자 에너지 밴드 구조에 영향을 끼칠 수 있다는 점에 있다. 때문에 다양한 층수의 멀티 앵글(Multi-angle) 그래핀은 각종 다양한 광전자 특성을 보유할 수 있다.

 

○ 포논 진동 모드의 라만 광 스펙트럼은 그래핀 재료 표면 특성 분석을 실행할 수 있는 제일 효과적인 기술 수단 중의 하나로 되고 있다. 층 간 전단 포논 모드는 멀티 층 그래핀 재료가 단일 층 그래핀과 차별화되는 독특한 포논 진동 모드에 속한다.

 

○ 중국과학원 반도체 연구소 산하 '반도체 초격자(Superlattice) 국가 중점 실험실' 탄핑헝(譚平恒) 연구원 연구팀은 지난 2012년도에 관련 연구를 통해 포논 진동 모드를 관찰해내는데 성공하였다(Nature Materials 11, 294-300 (2012)).

 

○ 이런 진동 모드 주파수는 매우 작기 때문에 멀티 층 그래핀 디랙 점 부근의 낮은 에너지 전자 여기 연구에 매우 적합하다. 동시에 동 진동 모드는 멀티 층 그래핀의 층 간 커플링에 대해 효과적인 탐사 측정을 실행할 수 있는 것으로 나타났다.

 

○ 최근 중국과학원 반도체 연구소 산하 '반도체 초격자(Superlattice) 국가 중점 실험실' 탄핑헝(譚平恒) 연구원 연구팀은 영국 캠브리지 대학(University of Cambridge) Ferrari 교수와 협력하여 멀티 앵글(Multi-angle) 그래핀의 층 간 커플링에 대한 계통

적인 연구를 실행하고 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다.

 

○ 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 멀티 앵글 그래핀의 인터페이스 층 사이의 전단 커플링(Shear coupling)은 정상적인 베르날 스태킹(Bernal stacking)의 20% 수준으로 취약해진다는 점을 발견하였다.

 

○ 동시에 연구팀은 인터페이스와 인접된 그래핀 시트(graphene sheets) 층 사이의 전단 커플링도 체(體) 재료의 90% 수준으로 취약해진다는 점을 발견하였다(그림 1. 참조).

 

○ 멀티 앵글(Multi-angle) 그래핀 인터페이스 커플링은 매우 취약해도 전자 에너지 밴드 구조는 관련 Bernal 스태킹의 멀티 층 그래핀과 큰 차이가 존재하고 있는 상황이다. 인터페이스 층 간 회전 앵글과 대응되는 여기 광을 사용할 때 멀티 앵글 그래핀의 라만 신호는 대폭 강화되는 것으로 나타났다.

 

○ 광전환 허용의 전자 상태의 연합 상태 밀도라는 개념을 도입할 때 연구팀은 이론 계산을 통해 이런 연합 상태 밀도의 극치는 라만 신호 공명 라인 타입의 여기 광 에너지 극치를 결정하게 된다는 점을 발견하였다.

 

○ 연구팀은 이번 연구를 통해 다양한 포논과 다양한 전자 상태 간의 전기 포논 상호 역할을 차이가 있으며 다양한 전단 모드 간의 주파수 차이가 매우 작다 해도 이런 강도의 공명 라인 타입과 에너지 극치는 차별이 매우 크다는 연구 결론을 도출하였다.

 

○ 연구팀의 관련 연구 성과는 세계적인 과학전문지 ‘네이처’ 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재되었다(Nat. Commun. 5:5309 doi: 10.1038/ncomms6309 (2014)). 탄핑헝(譚平恒) 연구원은 동 논문의 통신저자이다.

 

○ 연구팀의 이번 연구 성과는 멀티 층 그래핀 연구 분야에서 중요한 의미를 보유하고 있다. 이번 연구 성과는 기타 2차원 결정체 재료 분야에 보급될 수 있으며 2차원 결정체 재료 층 간 커플링을 연구하는 중요한 수단으로 될 것으로 전망된다.

 

○ 이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 '걸출 청년 과학자 연구 기금' 지원을 받아 실행되었다.