연구성과
포스포린의 반도체 성질 제어 및 그래핀 수준의 전도성 규명
국내 연구진이 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀에 버금가고 오히려 그 단점을 극복할 만한 물성을 새로운 2차원 반도체 물질인 포스포린*1에서 찾아냈다. 연구진은 띠 간격(밴드갭*2)이 없는 그래핀과 달리 포스포린의 띠 간격을 폭넓게 변환(밴드갭 값 0~0.6) 할 수 있는 방법을 찾아내고 전류의 흐름을 자유자재로 제어하는 데 성공한 것이다.
그래핀은 철 보다 강하고, 구리보다 전류가 잘 흐르는 뛰어난 물성을 자랑하지만, 밴드갭이 없어 전기적 신호에 의해 전류의 흐름을 통제하기 어렵다. 이는 차세대 반도체 소자로 활용하는 데 치명적인 결함이 되고 있다.
그래핀은 철 보다 강하고, 구리보다 전류가 잘 흐르는 뛰어난 물성을 자랑하지만, 밴드갭이 없어 전기적 신호에 의해 전류의 흐름을 통제하기 어렵다. 이는 차세대 반도체 소자로 활용하는 데 치명적인 결함이 되고 있다.
연구진은 포스포린의 표면에 칼륨원자를 흡착시켜, 수직방향으로 전기장을 만들고, 그 결과 포스포린의 전자배치에 영향을 미쳐 밴드갭에 폭넓은 변화(밴드갭 값 0~0.6)를 주는 데 성공했다. 뿐만 아니라 포스포린의 밴드갭이 0이 될 때는 그래핀처럼 준도체적 상태가 되면서 전도성이 그래핀과 비슷한 수준에 이를 수 있음을 밝혔다. 이로써 원자 한 겹 두께의 고성능, 초소형 반도체 소자 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.
이 같은 원리는 일반적인 2차원 반도체 물질에 응용할 수 있다.
그러나 실제 포스포린 트랜지스터를 제작하고, 공기 중에서 포스포린의 산화를 방지하는 기술개발을 위한 추가 연구가 필요하다.
이번 연구는 POSTECH 물리학과 김근수 교수(미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(원장 김두철) 원자제어저차원전자계연구단(단장 염한웅)) 연구팀이 연세대 최형준, 이연진 교수 연구팀과 공동으로 수행하였다.
김근수 교수는 “그래핀 상용화의 고질적 문제점인 밴드갭을 해결하고, 그래핀의 장점만을 취한 것으로 2차원 반도체 물질연구의 중심이 그래핀에서 포스포린으로 이동하는 전환점이 될 것”이라고 말했다.
연구결과는 세계 최고권위 과학저널 사이언스(Science, IF 33.611)지에 지난 8월 14일(한국시각, 8.14.(금) 새벽 03:00) 게재되었다.
1. 포스포린(phosphorene)
– 인(P) 원자로 된 흑린(black phosphorus)의 표면 몇 개 층을 떼어낸 2차원 물질로 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 0.5㎚ 두께의 박막구조가 특징
– 그래핀과 유사한 육각벌집 형태의 원자 배열을 가지고 있으나, 변형이 어려운 그래핀과 달리 규칙적인 주름이 잡혀있어 외부압력이나 전기장에 의해 물성제어가 쉬운 것이 장점
2. 밴드갭(Band-gap)
– 물질의 고유한 물리량으로 전자의 이동(전류)를 가로막는 장벽의 높이에 비유할 수 있다.
– 밴드갭이 없다는 것, 즉 밴드갭 값이 0에 가까울수록 전류가 쉽게 흐르게 된다.
* 보도자료 출처: 기초과학연구원
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