포스포린, <검은 인(燐)원자 한 층> 또 하나의 꿈의 신소재 가능성 열려 기초과학연구원, 포스포린의 반도체 성질 제어 및 그래핀 수준의 전도성 규명
연구 결과 개요
원자 한 겹 두께의 2차원 물질은 독특한 물성과 다양한 소자로의 응용가능성으로 인해 지난 10년간 응집물질물리학 및 재료과학 분야의 폭넓은 관심을 받아왔다. 특히 2차원 물질을 기반으로 한 초소형 반도체 소자 실현을 위한 관건 가운데 하나가 2차원 물질의 고유한 전자물성을 자유자제로 제어하는 기술이다.
밴드갭은 물질 고유의 물리량으로 0에 가까우면 전류가 쉽게 흘러 도체가 되며, 값이 클수록 전류가 쉽게 흐르지 않아 절연체가 된다. 따라서 만약 밴드갭의 크기를 자유자재로 조절할 수 있다면 물질의 전기적 성질을 도체에서 부도체에 이르기까지 조작하는 것이 가능하다. 일반적으로 물질의 밴드갭은 거의 변하지 않으나 두 겹 층 그래핀의 경우 일정 정도 조작이 가능하다고 알려져 있지만 이 경우에도 밴드갭 조절범위가 좁아 상용화에 어려움이 있었다.
인(P) 원자로 이뤄진 2차원 평면구조의 나노물질, 포스포린은 탄소(C)로 이뤄진 그래핀과 원자배열이 유사하나 규칙적으로 주름진 구조를 갖기 때문에, 외부 스트레인이나 전계효과로 물성을 조작하기에 용이하다. 본 연구팀은 포스포린의 구조적 특징에 주목해 표면에 알칼리 금속원자를 흡착시켜 강한 전계효과를 유발하였다. 그 결과 슈타르크 효과로 인해 포스포린 밴드갭을 폭넓게 조작하는데 성공한 것이다.
조작 가능한 밴드갭의 범위는 두 겹 층 그래핀의 세 배가 넘으며, 포스포린의 전자물성은 반도체로부터 도체에 이르기까지 자유자재로 변환 가능하다. 이러한 밴드갭 조절의 원리는 이미 상용화된 전계효과 트랜지스터에 비교적 쉽게 적용할 수 있고, 다른 2차원 반도체에 일반적으로 적용 가능하기 때문에 활용범위도매우 넓다.
연구팀은 뿐만 아니라 밴드갭이 0에 이를 때 그래핀의 우수한 물성의 근원에 해당하는 디랙준도체 상태가 포스포린에 나타나는 것을 발견하기도 하였다.
향후 불과 원자 몇 개 수준의 두께를 갖는 얇은 2차원 반도체 물질을 이용한 초소형 전자소자 실현에 중요한 발판이 마련될 것으로 기대한다.
2차원 신물질 포스퍼린 전자물성 제어 기술 개발
포스포린이 상용화된 지 몇 년 됐어
10년