그래핀을 대표로 하는 2차원 재료는 우수한 전기학 성능과 광학 성능을 보유하고 있다. 때문에 더욱 엷고 전기 전도 속도가 더욱 신속한 차세대 전자 부품, 트랜지스터와 광 전기 디바이스를 개발하는데 응용될 것으로 전망된다. 그래핀을 쌓아 다층(multilayer) 그래핀을 취득할 수 있다.

체(體) 흑연과 동일한 Bernal 축적(즉 AB 축적) 방식을 보유하고 있는 다층 그래핀 외 실험실에서 다양한 그래핀 시트 층 방향 랜덤의 다층 그래핀을 개발하거나 합성할 수 있는데 이런 다층 그래핀이 바로 코너 다층(Corner multilayer) 그래핀이다.

코너 다층(Corner multilayer) 그래핀 내부 각 서브 시스템 층 수의 다양성은 각 서브 시스템 간의 회전 각도로 하여금 다양성을 보유할 수 있도록 하였으며 이런 다양성은 무한한 가능성을 보유할 수 있게 하고 있다. 이런 상황은 그래핀 재료의 연구 대상과 연구 내용을 풍부히 하고 있다. 예를 들면 단일 층 혹은 멀티 층 그래핀 축적 방식의 차이는 그래핀 시트 층의 다양한 층 사이에 커플링(Coupling)을 발생시켜 전자 에너지 밴드 구조에 영향을 끼치며 코너 다층 그래핀이 축적 방식과 대응되는 각종 다양한 광 전기 특성을 보유할 수 있도록 하였다.

포논 진동 모드를 연구하는 라만 분광법(Raman spectroscopy)은 그래핀 재료 표면 특성을 분석하는 제일 효과적인 기술 수단 중 하나로 되고 있다. 층 간의 잘라내기와 호흡 포논 모드는 다층 그래핀 재료가 단일 층 그래핀과 차별화되도록 하는 독특한 포논 진동 모드에 속한다.

최근 중국과학원 반도체 연구소 산하 `반도체 초 결정 격자 국가 중점 실험실` 탄핑헝(譚平恒) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 독자적으로 개발한 초 저 파수(波數) 라만 기술을 이용하여 이미 다층 그래핀과 다층 회전 그래핀 속에서 층 간의 잘라내기 모델을 관찰(Nature Materials 11, 294-300 (2012)，Nat. Commun. 5:5309 (2014))하는데 성공하여 이슈가 되고 있다.

대칭성과 비교적 취약한 전기 포논 커플링 등 원인 때문에 지금까지 과학자들은 정상적인 온도 하에서 다층 그래핀의 층 사이 호흡 모델을 관찰해 내지 못한 상황이다. 탄핑헝(譚平恒) 연구원 연구팀은 관련 연구를 통해 단일 원자 체인 모델을 제시하였는데 동 모델은 제일 가까운 주변 상호 역할을 감안한 상황 하에서 현재 이미 다층 그래핀 층 간의 잘라내는 모델의 물리 특성을 완벽히 소개한 상황이다. 하지만 이런 모델이 층 간의 호흡 모드에 응용할 수 있는지에 대해서는 아직 명확한 연구 결론을 도출해 내지 못한 상황이다.

최근 탄핑헝(譚平恒) 연구원 연구팀은 중국 런민(人民)대학 지워이(季威) 교수 연구팀 및 영국 캠브릿지 대학 Ferrari 교수와 공동 연구를 실행하고 공진 라만 분광법 기술을 이용하여 코너 다층 그래핀의 층 사이 호흡 모드에 대한 계통적인 연구를 실행하였다.

연구팀은 현재 코너 다층 그래핀 인터페이스 위치의 층 사이 호흡 커플링이 정상적인 Bernal 축적 다층 그래핀 강도(强度)와 동일하다는 점을 발견하였다. 연구팀은 이번 발견을 통해 층 사이의 잘라내는 커플링과 뚜렷한 차이가 있으며 후자인 코너 다층 그래핀 인터페이스 위치에서의 층 사이에서 잘라내는 커플링은 정상적인 Bernal 축적 다층 그래핀의 20% 수준으로 감소되었다는 점을 입증하였다. 제1성 원리 계산 결과를 보면, 코너 다층 그래핀 인터페이스 위치에서의 대칭성 파괴는 잘라내는 모드와 호흡 모드가 다양한 행위를 나타내는 주요 원인이 되고 있는 것으로 나타났다.

연구팀은 이번 연구를 통해 다층 그래핀의 호흡 모드 주파수가 층 수의 변화와 관계가 제일 밀접한 위치 부근에서 상호 역할을 발휘하는 현상은 단일 원자 체인 모델에 대해 정확한 해석을 하지 못하고 있다는 점을 입증하였다. 하지만 두 번째로 가까운 주변 층 사이의 호흡 커플링에 가입하게 되면 실험을 통해 관찰된 코너 다층 그래핀 층 사이의 호흡 모드 주파수를 해석할 수 있을 뿐만 아니라 피팅(Fitting)을 통해 다층 그래핀 다음으로 가까운 부근 간의 호흡 커플링을 제일 가까운 부근의 9% 수준에 도달시킬 수 있다는 연구 결론을 도출하였다.

연구팀은 이번 연구를 통해 반데르발스(Van Der Waals) 2차원 결정체 재료 중에서 최초로 두 번째로 가까운 부근 층 간의 호흡 커플링을 관찰해 내는데 성공하였다. 연구팀은 이번 연구 결과를 통해 관찰 층 간의 잘라내는 모드로 코너 다층 그래핀 속의 각 Bernal 축적 서브 시스템의 층 수를 탐사해 낸 동시에 층 간의 호흡 모드로 전체적인 층 수를 탐사 측정하는데 성공하였다.

연구팀의 이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 관련 과학연구 비용 지원을 받아 실행되었으며 미국 화학학회 학술지인 ACS Nano 최신호에 발표되었다.

연구팀의 이번 발견은 그래핀 라만 분광법 분야에서 취득한 혁신적인 성과에 속한다. 동시에 다양한 2차원 결정체 재료 축적을 통해 2차원 이종 접합을 형성하여 초 저 주파수 라만 분광법 기술로 하여금 2차원 이종 접합 층 간 커플링의 중요한 표면 특성 분석 수단이 되게끔 하였다.


그림 1. 두 가지 종류의 코너 4층 그래핀의 층 간 잘라내는 모드와 층 간 호흡 모드(doi: 10.1021/acsnano.5b02502)

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 6월 30일]