나노기술 및 정책 정보

• 목록

□ 주요 내용

 

○ 베이징(北京)사범대학 물리학부 허린(何林) 교수 연구팀은 최근 격자 대칭 성 파괴를 이용하여 그래핀의 에너지 밴드 구조와 전기학 특성을 조정 제 어하는 연구에서 혁신적인 성과를 달성하여 이슈가 되고 있다.

 

○ 최근 허린 교수 연구팀은 두 가지 전형적인 격자 대칭성 파괴 구조(그래핀 응변 구조와 두 개 층 회전각도 그래핀 시스템) 연구에서 다양한 혁신 성과를 달성하였으며 관련 시스템 속에서 여러 가지 신기한 양자 상태에 대한 검출 및 조정 제어를 실현하였다.

 

○ 허린 교수 연구팀은 최근 베이징(北京)대학 화학대 류중판(劉忠范) 교수, 펑하이린(彭海琳) 교수 연구팀과 협력하여 응변 그래핀의 구조 및 전기학 특성 연구에서 중대 연구 성과를 달성하였다.

 

○ 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 이용하여 Cu 호일 상에 성장한 모자이크 그래핀(국지 지역 질소 도핑 그래핀)에 대해 계통적인 측정을 실행하고 동 샘플 상에서 사이클이 몇 나노에서 몇 십 나노에 달하는 준(準) 1차원 사이클성 주름을 실현하였으며(그림 1. 참조), 이런 준 1차원 주름의 길이는 약 400나노에서 1미크론에 달한다는 점을 발견하였다.

 

○ 기존의 박막 이론에 근거하면 그래핀 속에서 사이클이 나노 레벨에 달하는 주름을 실현하려면 그래핀의 사이즈를 10나노 이하 수준으로 축소시켜야 한다. 하지만 이렇게 작은 사이즈의 그래핀 상에서 한 개 응력을 추가하여 동 응력으로 하여금 사이클 구조를 형성할 수 있도록 하는 응변 구조의 형성은 기존의 기술 극한을 대폭 초월하고 있다. 이런 전통적인 생각은 그래핀 응변 구조에 대한 과학자들의 한층 더 심층적인 연구를 제한하고 있는 상황이다.

 

○ 연구팀은 이번 연구를 통해 그래핀 속에서 나노 사이즈의 준 1차원 사이클성 주름을 실현하였는데 동 준 1차원 사이클성 주름은 기존의 박막 이론 해석을 초월하고 있는 상황이다.

 

○ 기존의 박막 이론을 보면, 일정 두께의 박막은 휘어질 때 한 개 중성(Neutral) 면(面)이 존재하게 되며, 중성 면 상에서의 원자 간격은 박막이 휘어질 때 인장도 되지 않을 뿐만 아니라 압축도 되지 않지만 중성 면 이외의 원자는 박막이 휘어질 때 원자 간 간격이 인장되거나 압축되기 때문에 한 개 굽힘을 생성시켜 박막이 한층 더 휘어지는 상황을 방해할 수 있게 된다고 설명하고 있다.

 

○ 하지만 그래핀은 일종 매우 특수한 박막 시스템으로서 한 개 층 원자 두께 수준에 달하고 있다. 이런 특성은 그래핀이 휘어질 때 거의 저력이 존재하지 않는다(제일 가깝게 인접한 탄소 원자 p 궤도 하이브리드가 시스템에 대한 에너지의 미세 영향만 감안하면 됨). 때문에 동 시스템 속에서 나노 사이즈의 주름은 기존의 박막 이론 설명과 일치하지 않는다.

 

○ 연구팀은 이런 상황 때문에 실험 과정에서 파장이 몇 나노 밖에 되지 않지만 길이가 400나노에서 1미크론 사이의 준 1차원 사이클성 주름(그림 1. 참조)을 실현하게 된다는 연구 결론을 도출하였다.

 

○ 연구팀의 관련 실험 결과는 사이클성 주름으로 하여금 그래핀 속에 한 개 사이클성 퍼텐셜(Potential)을 도입시켜 에너지 밴드 구조상에서 초격자 Dirac 점을 생성시키게끔 하는 동시에 그래핀 속에 한 개 130meV에 달하는 밴드 갭을 형성할 수 있도록 한다는 점을 입증하고 있다.

 

○ 연구팀이 이번 연구를 통해 도출한 연구 결과는 나노 사이즈의 준 1차원 사이클성 주름으로 하여금 그래핀 응변 구조 연구를 위한 최초의 플랫폼으로 되게끔 하였다. 이번 연구 성과의 달성은 그래핀 응변 공정(strain engineering) 실험 발전을 추진하는 면에서 중요한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망된다.

 

○ 연구팀의 이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 '기초과학 연구 프로젝트' 비용, 국가과학기술부의 '중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)' 비용, 국가교육부의 '신세기 인재 프로젝트' 비용 지원을 받아 추진되었다.

 

○ 연구팀의 관련 연구 성과는 물리학분야 국제 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 게재됐다

(K.-K. Bai, Y. Zhou, H. Zheng, L. Meng, H. Peng, Z. F. Liu, J.-C. Nie, and L. He, “Creating one-dimensional nanoscale periodic ripples in a continuous mosaic graphene monolayer”. Phys. Rev. Lett. Vol: 113, PP. 086102 (2014)).