최근 세계 고체 물리학계의 차세대 유망 재료 중 하나는 단연 graphene이다. graphene(그라핀)은 2004년 영국 맨체스터 대학교의 앙드레 게임 팀과 러시아 마이크로일렉트로닉스 연구소의 연구팀이 처음 만든 것으로, 겨우 원자 한 개의 두께를 가진 2차원 탄소 구조체이다. 이 재료는 연필에서 발견되는 흑연(그라파이트)에서 만들어진다.
Graphene은 몇 가지 비범한 물리적 성질을 갖고 있다. 이 성질들 중 하나는 graphene 내의 전자들이 정지 질량이 없는 상대론적 입자처럼 행동하고 약 초속 1 백만 미터로 움직인다는 것이다. 비록 이 속도가 진공 중의 빛의 속도보다 300배나 느린 것이지만 일반 도체나 반도체 내의 전자의 속도보다는 훨씬 빠른 것이다. [GTB2008040320]
미국 물리학회(APS)와 영국 학술지 `Nature Nanotechnology`는 graphene을 미래 정보기술을 바꿀 가장 주목할 만한 신소재로 꼽고 있으며, 미국 매사추세츠공대(MIT)가 펴내는 ‘테크놀로지 리뷰’도 얼마 전 graphene 트랜지스터를 10대 유망 기술 중 하나로 꼽기도 했다. 또한 ITRS 로드맵의 2007년 edition을 살펴보면 차세대 반도체 물질 중 하나로 graphene이 많이 등장하는 것을 볼 수 있고, 특히 이를 Ge이나 3-5족 화합물 반도체처럼 트랜지스터 채널로 사용하는 것에 대한 연구가 많이 이루어지는 것을 알 수 있다.
http://npl.postech.ac.kr/?document_srl=14898
조지아 공과대학과 미국 표준 기술 연구소(National Institute of Standards and Technology, NIST)의 과학자들은 그들이 개발한 획기적인 측정 기술을 이용하여 2004년에 발견된 이후 기술적 유용성으로 광범위한 연구가 진행되고 있는 그라핀 물질의 특이한 에너지 스펙트럼을 직접적으로 측정하였다. 이번주 사이언스호에 발표된 이 연구 결과는 벌집모양으로 반복하여 정렬된 탄소 원자 단일층인 그라핀의 특이한 물리적 현상과 특성을 설명하는데 유용할 것으로 보인다.
그라핀은 독특한 물리적, 기계적, 전기적 특성으로 인하여 오늘날 실리콘 기반 회로와 다른 디바이스를 대체할 수 있는 초고속 그라핀 기반 전자기술을 포함한 차세대 기술을 위한 유망한 물질로써 각광받고 있다. 실온에서 그라핀의 전자들은 실리콘에서보다 100배나 더 빠른 이동도를 가지고 있다. 그라핀의 향상된 이동도는 전하 운반자인 전자가 질량을 가지고 있지 않은 것처럼 행동하기 때문에 발생하는 것이다. 전통적인 물질에서, 전자의 속도는 에너지와 연관이 있으나 그라핀의 경우는 그렇지 않다. 비록 그라핀에서의 전자 속도가 빛의 속도에 접근하지는 않지만 그라핀의 구속되지 않은 전자들은 에너지와 무관한 속도로 움직이는 질량이 없는 빛의 입자인 포톤처럼 행동한다.
이 이상한 질량없는 행동은 다른 이상한 특성을 동반한다. 보통 전도체가 강한 자기장에 놓여있을 경우, 전자와 같은 전하 운반자는 일정한 간격으로 벌어진 에너지 준위에 속박되어 원회전 궤도를 따라 움직인다. 그라핀의 경우에는 전자가 질량이 없는 때문에 이런 준위 사이의 간격은 일정하지 않게 된다.
조지아 공대와 NIST 연구진은 이런 질량없는 전자들의 행동을 NIST에서 제작한 특수한 장비를 이용하여 그라핀층 표면을 십억배나 확대하여 추적하였다. 연구진이 자체 제작한 초저온, 초진공 주사 투과 현미경으로 연구진은 조지아 공대에서 제작한 그라핀 시료에 조절 가능한 자기장을 인가하여 그라핀 에너지 준위 사이의 간격이 균일하지 않다는 것을 관측하고 측정하여 그라핀의 고분해능 에너지 준위 분포 지도를 제작하였다.
하나의 에너지 피크와 다음 에너지 피크의 간격이 일정한 금속이나 다른 전도 물질과는 다르게 그라핀의 경우는 이 간격이 일정하지 않다는 것을 관측한 것이다. 연구진은 그라핀의 특징인 자기장이 인가될 때까지 물질이 전기적 운반자를 가지고 있지 않은 특이한 현상인 제로 에너지 상태(zero energy state)를 공간적으로 측정하고 관측하였다.
연구진은 측정으로 성장된 그라핀층과 실리콘 카바이드 기판위에서 가열된 그라핀 층이 독립된 2차원판으로 행동한다는 것을 발견하였다. 이 결과를 기반으로 연구진은 그라핀층의 이웃한 층은 다른 회전 방향으로 쌓여있기 때문에 결합되지 않았다고 설명하였다. 이들의 발견은 새로운 탄소 기반 전자기술을 위한 균일하고 넓은 면적의 그라핀을 제작하는 데 유용한 방법을 제시하여 줄 수 있을 것으로 보인다.
첨부 그림 1: 그림은 벌집 모양의 어레이에 정렬된 탄소 원자 단일층인 그라핀 원자 분포를 스캐닝하고 측정하는 탐침을 나타낸다. 동시에 인가된 자기장은 구로 표시된 전자들을 원형 궤도상에서 움직이게 한다. 이런 궤도를 조사함으로써 물질의 특이한 성질을 연구할 수 있다.
첨부 그림 2: NIST에서 제작한 STM 셔틀 모듈은 원자 스케일 위치와 스캔 시스템을 포함한다. 그라핀 시료와 탐침이 가운데에 놓여있다. 셔틀은 실온의 진공 상태에서 측정을 위해 극저온 상태로 움직인다. 셔틀 모듈뒤에 그려진 배경 그림은 그라핀 벌집 구조를 보여준다.
출처 : 민준이형 미니홈피 ㅋ
