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그래핀 대체재 흑린 성능 떨어지는 원인 찾았다

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2019년 03월 11일 14:24 프린트하기

 이연진 연세대 물리학과 교수(왼쪽)와 김태경 한국외대 물리학과 교수(오른쪽). 한국연구재단 제공
이연진 연세대 물리학과 교수(왼쪽)와 김태경 한국외대 물리학과 교수(오른쪽). 한국연구재단 제공

국내 연구팀이 차세대 2차원(평면) 반도체 소자로 평가받고 있는 흑린의 성능 저하 원리를 규명했다. 흑린은 차세대 반도체 소재로 주목받고 지만 응용 과정에서 성능이 떨어지는 걸림돌이 작용했다.


이연진 연세대 물리학과 교수와 김태경 한국외대 물리학과 교수 연구팀은 흑린의 성능을 떨어뜨리는 핵심 물리량이 전자밀도라는 사실을 규명했다고 11일 밝혔다. 


흑린은 독특한 원자 배열을 가진 ‘인(P)’ 원소만으로 이뤄진 물질이다. 높은 전기전도도를 가져 신의 물질이라 불리는 그래핀과 유사하다. 흑린은 그래핀과 마찬가지로 2차원 박리가 가능하며 전기적‧광학적 성질이 매우 우수하다.


전류 제어가 어려운 그래핀과 달리 전기전동성을 결정하는 에너지 준위 차인 밴드갭을 조절해 전류 제어가 가능해 전자소자 제작이 용이하다는 장점도 있다. 하지만 공기 중 산소와 수분에 취약한 불안정성으로 인해 물성연구와 응용에 어려움이 있다.


연구팀은 물질 내 특정 에너지에 존재하는 전자의 양을 뜻하는 전자 밀도가 흑린의 성능저하를 결정하는 핵심 물리량임을 확인했다. 흑린은 두께에 따라 밴드갭이 변화한다. 연구팀은 이런 물리적 성질이 성능저하와 깊은 연관성이 있을 것으로 예상하고 공기 중 산소, 수분과 반응하는 흑린 표면 성질 변화를 원자간력 현미경으로 측정했다. 빛이 차단된 공기 중에서 흑린 표면 변화를 48시간 동안 측정했다.


연구팀은 여덟 층 이상의 두꺼운 흑린이 두 층의 얇은 흑린보다 빠른 성능저하가 발생하는 것을 확인했다. 흑린의 두께가 두꺼울수록 성능저하가 빠르다는 것이 실험적으로 확인됐다. 해당 결과는 2015년 선행 연구결과와 반대됐다. 상반된 결과를 동시에 설명하기 위해 물질에서 전자의 이동을 기술한 마커스 이론과 고체의 밴드구조 이론을 결합해 새로운 반응속도 모델을 개발했다. 


연구팀은 이 새로운 모델을 통해 흑린의 전자구조와 성능저하 사이의 직접적인 상관관계를 밝혔다. 원자 층수가 많을수록 흑린의 밴드갭이 작아지고 그로인한 전도 밴드 내 큰 전자밀도에 의해 산소 및 수분과 화학반응이 가속되는 것이다.


김 교수는 “성능저하 원인을 설명하는 이론적 모델은 흑린에만 국한되는 모델이 아니며 다른 2차원 반도체에 적용시킬 수 있을 것”이라고 말했다. 이 교수는 “향후 흑린의 표면 전자밀도를 제어하여 전기적 특성뿐 아니라 안정성 또한 향상시킨 전자소자를 제작할 계획”이라고 밝혔다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘앙게반테 케미’ 11일자에 발표됐다.

 

산소(붉은색)가 흑린 표면에 흡착된 후 전자가 이동되어 산화가 일어나고 그와 동시에 수분이 흡착되어 성능저하가 발생하는 흑린의 표면 변화과정(좌→우). 한국연구재단 제공
산소(붉은색)가 흑린 표면에 흡착된 후 전자가 이동되어 산화가 일어나고 그와 동시에 수분이 흡착되어 성능저하가 발생하는 흑린의 표면 변화과정(좌→우). 한국연구재단 제공
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