나노기술 및 정책 정보

• 목록

  렌슬러공대 (Rensselaer Polytechnic Institute) 연구진들이 물을 사용해서 나노소재인 그래핀(graphene)의 밴드 갭을 조절하는 새로운 방법을 개발하였으며, 이로써 새로운 그래핀 기반의 트랜지스터 및 나노전자소자에 대한 가능성이 열렸다.
  렌슬러의 Nikhil Koratkar 교수 연구팀은 그래핀 필름을 습기에 노출시킴으로써, 그래핀 트랜지스터 제조에 결정적인 선결과제인, 그래핀에 밴드 갭(band gap)을 생성하는데 성공했다. 현대 전자소자의 핵심인 트랜지스터는 전기신호 변경을 위해“온”또는“오프”로 변환할 수 있는 장치이다. 컴퓨터 마이크로프로세서는 반도체 소재인 실리콘으로 이루어진 수백만 개의 트랜지스터로 구성되며, 산업계에서는 실리콘 대체물질을 활발히 찾고 있는 상황이다.
  나노크기의 사슬 망처럼 배열된 탄소원자의 원자 두께 시트인 그래핀은 밴드 갭이 없다. Koratkar 연구팀은 이 소재의 한쪽 면에 흡착되는 물의 양에 기초하여, 그래핀의 밴드 갭을 0-0.2eV 사이의 값으로 정밀하게 조정하면서 여는 방법을 개발했다. 이 효과는 완전히 가역적이며, 진공에서 밴드 갭은 0으로 다시 돌아온다. 본 기술은 그래핀의 복잡한 처리나 가공을 포함하지는 않으나, 습도가 정확히 조절될 수 있는 환경을 필요로 한다.
  “그래핀은 독특하고 흥미로운 기계적 성질로 인해 많은 관심을 받고 있다. 그러나 그래핀을 사용하여 트랜지스터를 만들 경우, 그래핀은 반금속처럼 작동하고 제로 밴드 갭을가지기 때문에 작동하지 않게 된다. 본 연구에서, 우리는 그래핀에 밴드갭을 생성하는 비교적 쉬운 방법을 개발했다. 따라서 트랜지스터, 다이오드, 나노전자소자, 나노광전자소자 및 기타 응용분야에 그래핀을 새로이 적용할 수 있는 가능성을 제공하고 있다.”라고 렌슬러의 기계항공 원자력공학과의 Koratkar 교수가 말했다.
  이 연구 결과는 최근 Small지에 “물 분자의 흡착 제어에 의해 그래핀의 밴드 갭 조절 (Tunable Band gap in Graphene by the Controlled Adsorption of Water Molecules)”이라는 제목으로 발표 되었다.
  그래핀은 자연 상태에서 특이한 구조를 가지나 밴드 갭이 없으며, 금속처럼 거동하는 우수한 전도체이다. 이는 전기가 통하지 않는 절연체인 고무나 플라스틱과 비교된다. 절연체는 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band) 사이의 에너지 갭인 밴드 갭이 크기 때문에, 소재 내에서 전자가 자유롭게 전도 되지 못한다.
  전도체와 절연체 양쪽 기능이 모두 가능한 반도체는, 좁은 밴드 갭을 가지고 있어 전기장을 인가하면 전자들이 갭을 가로질러 점프하게 된다. “온”과“오프”두 상태를 빠르게 스위칭하는 기능은, 반도체가 마이크로전자소자에서 매우 중요한 이유이다.
  “반도체 소자의 핵심은 밴드 갭을 갖는 소재에 있다. 오늘날의 핸드폰, 이동통신장비, 컴퓨터 등에 사용되는 칩과 마이크로프로세서를 보면, 밴드 갭을 갖는 반도체로 만들어진 수많은 트랜지스터가 포함되어 있다. 반면 그래핀은 밴드 갭이 없어 이 같은 용도로 활용하기에는 한계가 있다. 따라서 적절한 반도체 소재로 만들기 위해서 그래핀에 밴드 갭을 유도하는 방법의 개발은 매우 중요하다.”라고 Koratkar 교수가 말했다.
  그래핀에 밴드 갭이 없는 이유는 그래핀 격자 구조의 대칭성 때문이다. 따라서 Koratkar 교수는 그래핀의 한쪽 면에만 분자들을 결합시켜 이러한 대칭성을 깨트리는 방법을 연구했다. 이를 위해, 연구진은 실리콘과 이산화실리콘 표면에 그래핀을 제조한 후, 습도 제어가 가능한 환경의 챔버에서 그래핀을 노출시켰다. 챔버 안에서, 물 분자들은 노출된 그래핀 표면에 흡착되었으나 이산화실리콘과 접한 표면에는 흡착되지 않았다. 이와 같이 대칭성을 제거함으로서, 그래핀의 밴드 갭이 실제로 생성되었다. 이산화실리콘 기재에 있는 결함과 상호작용하는 수분 또한 이 같은 효과에 기여하는 요소이다.
  “그래핀 표면에 다양한 기체를 흡착시켜서 밴드 갭을 생성하는 방법들이 기존에 소개된 바 있으나, 물을 이용한 것은 처음이다. 기체와 비교해서 물 분자 흡착의 장점은, 저렴하고 비독성이며 칩 응용에서 제어하기가 훨씬 용이하다는 것이다. 예를들어, 첨단 마이크로 패키징 기술을 이용하면, 습도를 매우 쉽게 조절할 수 있어 컴퓨터 칩의 특정 부분 또는 전체 주위에 작은 밀폐공간을 만드는 것은 상대적으로 매우 간단하다.”고 연구진이 밝혔다.

  밀폐공간 내에서의 습도 수준에 기초하여, 칩 제조업체는 0에서 0.2eV 범위에서 그래핀의 밴드 갭을 가역적으로 조절할 수 있다고 Koratkar 교수가 말했다.