중국과학원 상하이(上海) 마이크로 시스템 및 정보 기술 연구소 산하 ‘정보 기능 재료 국가 중점 실험실’ 소속 ‘SOI 재료 연구팀’은 최근 관련 연구를 통해 층 제어(Layers controlled) 그래핀 박막(Graphene films) 개발 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다.
‘SOI 재료 연구팀’은 이번 연구를 실행하는 과정에서 Ni/Cu 시스템을 디자인한 동시에 이온 주입 기술을 탄소 소스에 도입하는 방법을 이용하고 탄소 시제 량을 정밀 제어하여 주입하는 방법을 통해 그래핀 층 수에 대한 조정 제어를 실행하는데 성공하였다.
연구팀의 관련 연구 성과는 "Synthesis of Layer-Tunable Graphene：A Combined Kinetic Implantation and Thermal Ejection Approach"라는 테마로 나노재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스트 펑셔널 머티리얼즈(Advanced functional Materials)’ 2015년 24호에 게재됐으며, 뒷 표지 논문으로 선정돼 다시 주목 받았다.
그래핀은 우수한 전기학 성능, 우수한 열 전도 비율 및 탁월한 역학 성능 때문에 과학자들로부터 후(後) 실리콘 CMOS 시대 연속 무어의 법칙(Moore`s Law)에서 제일 경쟁력을 보유하고 있는 전자 재료로 평가를 받고 있으며 밝은 응용 전망을 보유하고 있다. 하지만 특수한 응용 수요에 대해서는 반드시 그래핀의 층 수에 대한 정밀 제어를 실행해야 하는 상황이다.
중국과학원 상하이(上海) 마이크로 시스템 및 정보 기술 연구소 산하 ‘정보 기능 재료 국가 중점 실험실’ 소속 ‘SOI 재료 연구팀’은 그래핀 층 수 제어 문제에 근거하여 Ni와 Cu가 CVD 방법과 결합하고 그래핀을 제조하는 특징을 이용한 동시에 두 가지 재료가 탄소 용해 능력에 대한 차이점을 이용하여 Ni/Cu 시스템(25μm 두께의 Cu 호일 상의 전자 빔 증발 한 개 층 300nm의 Ni)을 디자인하였다.
동시에 연구팀은 반도체 산업 중에서 성숙된 이온 주입 기술을 이용하여 탄소 이온을 Ni/Cu 시스템 속의 Ni 층 속에 주입하고 주입 탄소 이온의 시제량(4E15 atoms/cm2 시제량과 대응되는 단일 층 그래핀으로서 8E15 atoms/cm2 시제량과 대응되는 이중 층 그래핀임)을 제어하고 어널링(Annealing) 후 단일 층, 이중 층 그래핀 제조를 실현하는데 성공하였다.
전통적인 CVD 방법으로 그래핀을 제조하는 공법에 비해 이온 주입 기술은 낮은 온도 도핑, 정밀한 에너지 및 시제량 제어, 높은 균일성 등 강점을 보유하고 있는 상황이다. 때문에 이온 주입 방법으로 제조하는 그래핀 단일 층 및 이중 층 수는 탄소 주입 시제 량의 영향을 받고 있으며 기체의 체적 비례, 기판 두께 및 성장 온도와 관련이 없는 상황이다.
그 외, 이온 주입 기술과 현대 반도체 기술은 상호 호환될 수 있기 때문에 그래핀을 전자 재료로 사용하고 있는 반도체 디바이스 분야에서 실질적인 응용을 실현하는 면에서 이온 주입 기술은 중요한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망된다.
이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘혁신 연구 그룹 프로젝트’ 비용, 국가자연과학기금위원회의 ‘우수 청년 기금 프로젝트’ 비용 및 중국과학원의 ‘높은 이전 비율 재료 혁신 연구팀 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다.
그림 1. ‘Advanced Functional Materials’ 학술지 뒷 표지(좌측)에 발표된 연구 성과임. 연구 논문의 실험과정 및 개발한 단일 층, 이중 층 그래핀의 각 종 성능의 표면 특성 분석 결과(우측)임.
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