포스텍 물리학과 지승훈 교수팀,
                      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.

포스텍 물리학과 지승훈(42) 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 모형(첨부자료 참고)도 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.