나노기술 및 정책 정보

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  JST 과제해결형기초연구의 일환으로, 산업기술총합연구소(AIST) 나노시스템 연구부문의 오타니 미노루(大谷實) 그룹 리더와 Thanh Cuong Nguyen 연구원 등의 연구그룹은 포스트 실리콘 재료로서 주목받고 있는 탄소원자의 시트‘그래핀’이 절연체 기판인 산화실리콘 위에 흡착되면, 그 전자물성이 기판과의 상호작용에 의해 협소한 밴드갭(band gap)을 갖는 반도체로 바뀌어 원래 갖추고 있던 금속적인 성질이 손상되는 것을 이론적으로 밝혀냈다.
  그래핀은 탄소원자가 벌집 모양으로 6각형의 네트워크를 형성한 시트로, 원자 한 층으로 이루어지는 초박(超薄)성과 그 시트 위에 고이동도의 전자가 존재하는 특징으로부터, 신재료로서 세계적으로 주목받고 있다. 그러나 그래핀을 차세대 디바이스로서 응용하기 위해서는 기존의 실리콘 반도체 디바이스 구조에 있어 절연체로서 이용되고 있는 산화실리콘막과의 복합구조가 어떤 기구에 의해 형성되고, 어떤 성질을 갖는지 이론적으로 해명할 필요가 있었다.
  연구팀은 이번 연구에서 그래핀이 산화실리콘막 상에서 반도체로 변하는 것을 이론적으로 규명함과 동시에, 그래핀의 높은 전자이동도를 응용한 전자 디바이스의 설계에 있어, 절연체 기판과의 상호작용의 효과도 포함한 복합 구조를 고려하는 것이 중요하다는 것을 밝혀냈다. 또, 절연체 기판의 물질종류·표면구조의 제어에 의해, 그래핀의 물성·기능을 디자인하는 것이 가능 할 것으로 예상되며, 앞으로의 그래핀 디바이스 실현·설계에 중요한자료가 될 것으로 보인다.

■ 연구내용
  결함이 없는 그래핀이 반도체 디바이스에 있어서 절연체 막으로 이용되는 산화실리콘 표면에 흡착했다고 가정하고, 그 때의 그래핀의 전자구조의 변화를 제1원리 전자상태계산법을 이용해서 상세하게 조사했다. 그 때, 산화 실리콘의 구조모델로서 실리콘과 산소가 ' 쿼츠'구조를 갖는 산화실리콘을 이용하여, 그 표면은 완전히 편평하다고 계산했다(그림). 특히, 지금까지의 연구와는 달리, 산화실리콘 표면의 원자구조를 완전히 최적화한 것을 그래핀에 대한 기판으로서 생각하고, 보다 현실적인 상호작용을 해명하였다.

  일반적으로 고립된 그래핀은 페르미(Fermi) 수준에 있어서의 상태밀도가 제로인 특이한 금속이 되지만, 계산 결과 산화실리콘상의 그래핀은 수십 meV(밀리 전자 볼트)의 협소한 밴드갭을 갖는 반도체가 되는 것이 밝혀졌다. 이 반도체화는 그래핀 상의 전자가 받는 국소 포텐셜(potential)이, 산화실리콘을 형성하는 원자와 전자에 의해 공간적으로 변조된 것에 의한 것이다. 이것은 산화실리콘 기판이 유효적으로 그래핀 상의 탄소원자의 성질을 불균일하게 하여, 마치 그래핀이 화합물반도체와 같이 거동하도록 하는 것과 같다. 또, 반도체화에 따라 그래핀의 전도전자가 갖는 유효적인 질량이 증대하고, 그래핀의 특징인 높은 전자이동도가 현저하게 저하된다. 이 결과는 그래핀의 높은 전자이동도를 디바이스에 이용하기 위해서 기판도 포괄적으로 다룬 그래핀 복합 구조의 전자물성의 해명과 그 제어 방법이 중요하다는 것을 의미한다. 동시에 그래핀과 절연체기판과의 복합 구조의 제어에 의해 금속인 그래핀이 완전한 2차원 반도체 재료가 될 가능성을 보여준다.
  본 연구 성과는 츠쿠바대학 대학원 수리물질과학연구소의 오카다스스무 준교수와의 공동연구를 통해 이루어졌으며, 미국 물리학회지 「Physical Review Letters」의 온라인 판에 게재되었다.