단원자 두께의 프리스탠딩 금속 멤브레인이 최초로 개발되었다. 이번에 개발된 멤브레인은 혹독한 환경 속에서도 안정적인 상태를 유지하는 것으로 확인되었다. 독일 연구진은 그래핀 격자 속에서 단일 원자 두께의 프리스탠딩 철 멤브레인을 형성하는 데 성공했다.

탄소원자가 벌집모양의 격자를 이루는 그래핀은 이차원 소재에 대한 많은 관심을 불러일으키고 있다. 특별히 이황화 몰리브덴과 질화붕소와 같이 육각형의 원자구조를 이루는 박막에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 이러한 물질은 단원자 두께의 2차원 평면 구조라는 공통점을 가지고 있다. 이는 기존의 전자소재가 3차원 벌크 형태라는 것과는 확연히 구별되는 특징이다. 이는 공유결합과 비교되는 반데르발스 결합이라는 약한 결합에서 그 구조적 특징을 살펴볼 수 있다. 특별히 이러한 2차원 구조체는 혹독한 환경 속에서도 기계적으로 매우 안정적인 상태를 유지한다는 것이 공통되는 특징이다.

벌크형 금속에서는 결정 구조는 3차원의 구조를 하고 있으며, 금속간 원자 결합은 상대적으로 매우 강한 결합을 이루고 있다. 금속 소재가 2차원 프리스탠딩 구조를 이루기는 여러 면에서 매우 힘들다. 기존에 2차원의 프리스탠딩 구조체에 대한 연구 결과가 발표되었지만, 실제 금속 원자는 기판과 상호 일정한 영향을 주고 받는다.

금속성 결합은 비 방향성이다. 이러한 사실은 나노 수준에서 금속의 연성은 2차원의 프리스탠딩 멤브레인이 될 수 있다는 것을 보여주기도 하는 것이다. 실제로 이번에 연구진은 철 원자를 통해서 이러한 가능성을 입증하는 연구결과를 내어 놓았다. 연구진은 금속 원자가 2차원의 프리스탠딩 멤브레인이 될 수 있다는 것을 입증하였다. 이번 연구는 금속 원자가 2차원의 멤브레인을 형성할 수 있다는 것 외에도, 놀라운 특성을 가지고 있다는 것을 보여주고 있다.

연구진은 그래핀 표면에 철 원자를 치환시키는데 성공했다. 연구진은 투과형전자현미경(TEM)을 이용하여 그래핀 표면에 전자들을 조사하여 그래핀의 모서리나 공공 부분에 철 원자가 트랩이 되게 만들었다. 이러한 철 원자는 그래핀 내에서 결정격자를 유지하게 되었다. 이번 연구결과는 기존의 표면 수축(surface contraction)이라는 개념으로 격자 사이의 공간이 줄어드는 것과는 달리 격자의 공간이 오히려 늘어났다는 점에서 놀라운 것이다. 이는 그래핀 모서리와 철 멤브레인의 인터페이스와의 격자 불일치에 의해서 발생한 것으로 보여진다. 연구진은 실제 멤브레인의 중심 부분에서는 격자의 수축이 발생한다는 것을 확인했다. 연구진은 2차원의 철 멤브레인 구조는 벌크형 철과 다른 격자를 보인다는 것을 확인했다. 이는 2차원 철 멤브레인의 전자 오비탈이 3차원 벌크형 철과는 다르기 때문이라고 연구진을 설명했다.

2차원의 철 멤브레인은 벌크형 소재에서 얻어질 수 없는 프리스탠딩 구조를 보이고 있다. 특별히 혹독한 환경 속에서도 매우 안정적인 형태를 유지하는 것으로 확인되고 있다. 이러한 발견은 새로운 2차원 구조체 설계에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 특별히 광학 및 전자소자 설계에서 안정적인 기록장치가 요구될 때 2차원의 철 구조체는 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 이 연구결과는 저널 Science에 "Free-Standing Single-Atom-Thick Iron Membranes Suspended in Graphene Pores"라는 제목으로 게재됐다. (DOI: 10.1126/science.1245273)

 

[원문출처 : http://www.nanowerk.com/nanotechnology_news/newsid=34760.php]