[미국] 그래핀 모서리에서 분리된 이량체 구조


옥스퍼드 대학(University of Oxford)과 러더퍼드 애플턴 연구소(Rutherford Appleton Laboratory)의 연구진은 단일층 그래핀의 모서리에서 떨어져 나간 탄소 이량체(dimer) 구조를 관찰하는데 최초로 성공했다. KED(Klein Edge Doublet)라고 불리는 이런 현상은 이전에 이론적으로 예측되었다. 이 연구결과는 그래핀 모서리를 더 잘 이해하는데 도움을 줄 수 있고, 새로운 전기적 특성을 가진 재료를 만드는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

그래핀 모서리는 나노리본과 같은 모서리-의존형 구조의 전체 특성에 상당한 영향을 끼칠 수 있다. 이런 모서리 효과와 단일층 그래핀의 형상을 이해하는 것은 탄소 물질의 전기적 특성을 최적화하는데 중요할 것이다. 또한 그래핀의 적용 분야가 점점 증가하고 있기 때문에, 그래핀 모서리 구조 속의 형상적 변화들을 완전히 아는 것이 필수적이다.

이번 연구진은 단일층 그래핀 결정 모서리의 불포화 탄소 더블릿(carbon doublet)을 관찰했다. 지그재그 모서리에서 관찰된 단일 원자 클레인 모서리(Klein edge)와는 달리, 이런 탄소 이량체들은 다양한 모서리 구조에서 관찰되었지만, 안정적인 암체어 모서리에서 가장 많이 관찰되었다. 이 연구결과는 KED가 암체어 모서리의 안정성을 향상시키고 지그재그 모서리의 원자 추출을 위한 경로이라는 것을 보여주었다.

이번 연구진은 수차 보정 투과 전자 현미경(aberration-corrected transmission electron microscopy, AC-TEM)을 사용해서 KED 구조를 관찰했다. 이 기술은 그래핀의 구조를 탐침하고 재료 격자 속의 탄소 원자 간의 0.142nm 원자 간격을 관찰하는데 사용될 수 있다. “단일층 그래핀은 80kV TEM 빔에 노출될 때 안정적이다”라고 옥스퍼드 대학의 Judy Kim은 말했다. “재료 박편 내부와는 달리 모서리 부분은 sp3 결합이 필수적이지 않기 때문에, 모서리 탄소 원자를 전자빔 스퍼터링으로 분리할 수 있었다. 80 kV의 전자를 충돌시켜야 하기 때문에 단지 TEM 속에서만 원자들을 관찰할 수 있었다”고 Kim은 덧붙였다. 

이번 연구진은 이미지를 분석함으로써 흥미로운 데이터를 도출할 수 있었다. 이번 연구진은 신호-대-잡음 비(signal-to-noise ratio) 때문에 1~2초의 기간 동안에 이미지를 수집해야 했다. 이것은 몇 초 동안에 존재할 수 있을 정도로 충분히 강하기 때문에 불포화 탄소 이량체를 관찰할 수 있었다. 이론적 계산은 단지 피코세컨드(picosecond) 동안에 형성되고 사라진다고 알려져 있다.

이번 연구진은 그래핀 격자 모서리에 매달려 있는 단일 탄소 원자가 홀전자 밀도(unpaired electron density)를 변화시킨다는 것을 알게 되었다. Kim은 “이 새로운 연구결과는 그래핀 모서리의 전기적 구조를 변화시키는데 이용될 수 있다”며 “게다가 우리는 KLD가 더 무거운 원자들(예를 들어, 실리콘)을 위한 도펀트 수용기(dopant site receptor)로서 활용될 수 있다는 것을 관찰했다”고 말했다.

또한 “적절한 조건이 주어지면, 우리는 그래핀의 암체어 모서리를 따라 비-탄소 도펀트의 라인(line)을 형성하는 이런 원자들을 이미지화할 수 있을 것이다. 이것은 새로운 유형의 나노공학 장치에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다”이라고 덧붙였다. 이 연구결과는 저널 ACS Nano에 “Formation of Klein Edge Doublets from Graphene Monolayers” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/acsnano.5b02730).

그림. 그래핀 단일층의 KED.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 9월 4일]

 

 

Researchers at the University of Oxford and the Rutherford Appleton Laboratory in the UK are the first to have observed a carbon dimer structure that “hangs off” the edge of monolayer graphene (a sheet of carbon just one atom thick). Finding this feature, called a Klein Edge Doublet (KLD), predicted to exist in theory, helps us better understand graphene edges, which have novel electronic properties compared to the bulk material lattice.

Graphene edges significantly affect the overall behaviour of edge-dominated structures, such as nanoribbons. Understanding these edge effects and the topology of monolayer graphene in general will be important for engineering and optimizing the electronic properties of the carbon material.

The researchers observed the KLD structures using aberration-corrected transmission electron microscopy (AC-TEM) – a technique that can be used to probe the structure of graphene, and on a good day, even image the 0.142 nm atomic spacing between the individual carbon atoms in the material lattice.

“Monolayer graphene is stable when exposed to the 80kV TEM beam,” explains team member Judy Kim of Oxford, “but because we are trying to study the structure of the graphene edge, which is not necessarily sp3 bonded (unlike the interior of the material flake which is), we run into complications related to the electron beam sputtering away the edge carbon atoms. This makes the experiment very much an in situ one in which the mere act of observing the atoms in the TEM affects them as they are bombarded by the 80kV electrons.

We have to be quick off the mark to collect as much data as we can when we think we might be seeing something interesting and analyze the details of the images later. Though we try to be fast, we still need to acquire images for periods as long as 1-2 seconds to ensure a reasonable signal-to-noise ratio. This makes observing dangling carbon dimers that much more amazing since they are robust enough to exist for several seconds while we collect our data. Theory calculations imply that they could form and drop off in a matter of just picoseconds.”

Researchers know that a single carbon atom hanging off the edge of the graphene lattice changes the unpaired electron density in the local area around it. “Our new finding of the doublet might be exploited to alter the electronic structure of the graphene edge,” says Kim. “What is more, we have seen the KLD acting as a dopant site receptor for heavier atoms, like silicon for example,” she tells nanotechweb.org. “Given the right conditions, we might imagine these atoms forming a line of non-carbon dopants along the so-called armchair edge of graphene, and this would be a really interesting feature for a new type of nano-engineered device.”

[원문출처 : http://nanotechweb.org/cws/article/tech/62406]