나노기술 및 정책 정보

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  과학기술진흥기구(JST) 과제해결형 기초연구의 일환으로 산업기술총합연구소(AIST)의 스에나가 카즈토모(末永和知) 상석연구원 등은 전자현미경을 이용하여 그래핀의 탄소원자 하나하나를 관찰하면서 그 전자상태를 조사하는 방법을 개발하고, 같은 탄소원자라도 존재하는 소에 따라 그 성질이 다른 것을 실험적으로 밝혀냈다.
  종래의 분석 방법에서는 각각의 원자의 원소를 식별할 수는 있었지만, 같은 원소의 원자마다의 전자상태나 성질의 차이까지 상세하게 조사할 수는 없었다. 예를 들면 같은 탄소원자라도 반응하기 쉬운 탄소원자와 반응하기 어려운 탄소원자를 구별하는 것은, 화학반응의 정확한 제어 및 나노 디바이스의 설계·개발을 위해서 매우 중요하기 때문에, 이러한 원자의 성질을 조사하는 기술의 개발이 요망되었다.
  본 연구 그룹은 JST CREST의 프로젝트에서 개발한 세계 최고의 감도를 갖는 새로운 전자현미경을 응용하여 탄소원자로 이루어진 그래핀을 상세하게 조사하여, 같은 탄소원자라도 그래핀의 가장자리에 존재하는 탄소원자가 일반 탄소원자와 전자상태가 크게 다른 것을 세계최초로 확인했다. 이 결과로부터 그래핀이 전자 디바이스로서 응용될때, 그래핀의 가장자리에 존재하는 탄소원자의 성질이 크게 영향을 미치는 것을 알았다.
  본 방법의 개발로 물질 중의 반응 활성 부위를 원자 수준에서 상세하게 특정하는 것이 가능하게 되어, 이후, 나노 디바이스의 개발이나 신물질 합성 설계에 도움이 될 것으로 기대된다. 본 연구 성과는 2010년 12월 15일 영국 과학잡지 Nature의 온라인판에 공개되었다.

■ 연구내용

  그래핀의 탄소원자는 6각형의 그물구조를 하고 있기 때문에, 일반적으로 이웃한 3개의 탄소원자와 결합하고 있다. 그런데 같은 탄소원자라도 그래핀의 가장자리에 존재하는 탄소원자는 이웃한 탄소원자의 수가 2개이거나 때로는 1개이다(그림). 때문에 이러한 탄소원자는 일반적인 탄소원자와는 다른 성질(전자상태)을 갖고 있다. 전자선 에너지 손실분광을 이용해서 스펙트럼의 미세구조를 관측하면, 같은 원소라도 그 성질의 차이를 상세하게 조사할 수 있다. 단, 지금까지 이 방법은 벌크(많은 탄소원자)를 대상에 사용되어 왔지만, 1개의 탄소원자에 대한 미세구조는 측정할 수 없었다.

  본 연구 그룹은 JST CREST의 프로젝트에서 개발한‘구면수차(球面收差)’와 5차의 기하수차(幾何收差)를 동시에 보정하는 델타형 수차보정 기능을 갖는 전자현미경을 이용하여 전자선 에너지 손실분광의 감도를 종래의 거의 10배까지 향상시켰다. 또, 이용하는 전자선의 가속전압을 낮게 유지함으로써(여기에서는 60kV), 분석 중에 원자가 사라지는 현상(시료손상)을 억제하는 데 성공했다. 또, 그래핀 가장자리의 탄소원자 하나하나로부터 전자선 에너지 손실분광을 행하는 데 성공하여, 1)가장자리의 탄소원자는 일반적인 탄소원자와 다른 전자상태를 갖는다는 것, 2)가장자리의 탄소원자에는 성질이 다른 2종류가 존재한다는 것, 3)가장자리의 탄소원자의 상태는 7·8개 떨어진 탄소원자에까지 영향을 주고 있다는 것 등을 밝혀냈다.

  이번 실험을 통해, 향후 가장자리의 탄소원자의 특이한 성질을 이용한 새로운 기능의 그래핀 디바이스를 고안하는 일이 가능할 것으로 예상된다.