연구성과

현미경 없이 ‘그라핀’ 가장자리 모양 측정 방법 발견 (2008.12.31)

2009-08-18673

그라핀 나노리본의 금속원자 에너지 분석을 통한 새 방법 제시
필수연구 과제인 ‘그라핀의 가장자리 탄소원자 배열 규명’ 성공해

우주에서 가장 얇은 물질로 잘 알려진 그라핀(Graphene)으로 만든 나노리본의 가장자리 모양을 값비싼 원자 현미경을 사용하지 않고도 파악할 수 있는 방법이 발견됐다.

물리학과 지승훈 교수ㆍ박사과정 최선명 씨 연구팀은 그라핀 나노리본에 붙은 금속원자의 에너지를 측정해 나노리본 가장자리의 모양을 파악할 수 있는 방법을 발견해 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 최신호를 통해 발표했다.

연필심의 원료인 흑연에서 분리되는 그라핀은 하나의 원자층을 가진 안정적인 2차원적 물질이다. 아울러 수송을 전담하는 전하가 그라핀 층 가장자리의 탄소원자 배열에 따라 도체와 반도체 성질을 나타내면서도 두께가 원자 한개 수준에 불과해 초소형 나노소자로서의 응용 가능성이 높기 때문에 많은 관심을 받고 있다.

특히 그라핀은 소재 내 전자의 충돌에 따른 과열이 없고, 다이아몬드보다 탄소원자 결합이 강해 발열현상을 일으키는 실리콘의 대체물질로 각광 받으면서 많은 연구가 이루어지고 있다.

그 중에서도 그라핀의 가장자리 모양은 소자로 활용될 때 전자장치의 성질에 영향을 미칠 수 있어 가장자리의 탄소원자 배열을 규명하는 것은 필수적인 연구로 알려져 왔다. 그러나, 그라핀의 두께가 너무 얇아 가장자리의 원자 배열은 지금까지 알아낼 방법이 없었다.

지 교수팀은 그라핀으로 만든 나노크기의 리본에 금속 원자를 떨구고, 그래핀 표면의 흡착에너지를 양자 계산으로 파악하면서 가장자리 탄소원자의 배열에 따른 에너지 변화를 연구했다.

그 결과, 가장자리 탄소원자 배열이 지그재그 형태의 특정한 모양을 가질 때만 금속 원자가 가장자리로 이동해 ‘원자선’을 만들어낸다는 것을 밝혀내고 이를 이용해 그라핀 가장자리의 원자배열을 파악할 수 있다는 사실을 발견했다.

또, 지 교수팀은 가장자리의 탄소원자도 제어할 수 있다는 사실을 밝혀내 새로운 ‘스핀절류 제어장치’의 모형도 제시했다. 나노리본 가장자리의 탄소원자는 일정한 방향으로 정렬되어 있는데, 금속원자가 가장자리로 이동해 원자선을 이루면 이같은 스핀 정렬 현상은 사라진다.

이를 이용하면 차세대 소자로 활용할 수 있는 스핀절류 제어장치가 만들어질 수 있다고 연구팀은 설명했다.

반도체등의 전자소자에 스핀전류기술을 적용할 경우 신호를 전하량을 이용한 신호전달 이외에도 전자의 스핀이란 물성 역시 정보전달에 이용할 수 있어 한 번에 전달할 수 있는 정보량을 2배로 증가시킬 수 있다.