과학자들은 능면체 그래핀의 잠재력에 주목한다

댈러스 텍사스 대학의 과학자들은 여러 층의 그래핀으로 만든 구조물이 기본적인 물리 특성과 고급 전자장치를 위한 재구성 가능한 반도체로서의 잠재력 측면에서 어떤지 조사하고 있습니다.

그래핀은 평평한 벌집 모양으로 배열된 탄소 원자의 단일 층으로, 각 육각형은 정점에 6개의 탄소 원자로 구성됩니다. 그래핀이 2004년에 처음 분리된 이후(나중에 노벨 물리학상을 수상하게 됨) 과학자와 엔지니어는 그 고유한 물리적 특성과 잠재적인 응용 분야를 집중적으로 연구했습니다.

UT Dallas의 자연과학 및 수학 대학의 물리학 교수인 Fan Zhang 박사는 10년 이상 그래핀 층을 키랄 방식으로 쌓아 능면체 구조를 형성할 때 나타나는 전자적 특성을 연구해 온 이론가입니다.

Tianyi Xu는 Zhang과 함께 이 소재에 대해 작업한 물리학 박사과정 학생입니다. Xu는 "연필심에서 발견되는 결정인 흑연에는 두 가지 유형의 적층 순서가 있습니다."라고 말했습니다. "일반적인 연필심은 약 1,000만 개의 그래핀 층으로 구성되어 있습니다."

육각형 스태킹(AB 스태킹이라고도 함)은 짝수 번호의 그래핀 층이 정렬되고 홀수 번호의 층이 짝수 층에 비해 60도 회전할 때 발생합니다. 반면 능면체형 스태킹 또는 ABC 스태킹은 연속된 각 층에 대해 단방향 또는 카이랄 60도 회전을 특징으로 합니다.

장은 "육각형 스태킹은 구조적으로 더 안정적이지만, 능면체형 스태킹은 스태킹의 키랄성이 전자를 강력하게 상관시켜 놀라운 거시적 양자 현상을 만들어낼 수 있기 때문에 훨씬 더 주목할 만하다"고 말했습니다.

최근 Science , Nature Physics 및 기타 저널에 게재된 논문에서 장 연구팀과 독일 괴팅겐 대학, 매사추세츠 공과대학의 실험 협력자들은 능면체 그래핀에 대한 새로운 연구 결과를 보고했습니다.

연구자들은 이 재료 계열이 게이트 전기장에 의해 밴드 갭과 전자 밀도가 지속적으로 조정될 수 있는 반도체처럼 행동한다는 것을 발견했습니다. 그들은 또한 매우 낮은 온도에서 능면체 그래핀이 장치에 적용되는 게이트 전기장에 따라 새로운 자성과 초전도성, 양자 비정상 홀 효과를 보인다는 것을 발견했습니다.

"일반적으로 동일한 소재에서 이러한 모든 효과를 관찰할 수는 없지만, 동일한 능면체 그래핀 디바이스에서 발생할 수 있으며, 단일 디바이스에서 반도체, 자기 및 초전도 특성을 전환하고 조정할 수도 있습니다." 장의 그룹의 물리학 박사과정 학생인 Praveen Pai가 말했습니다.

"양자 이상 홀 효과에 대한 관심이 매우 높은데, 자기성과 초전도성의 공존은 말할 것도 없습니다."

장과 함께 연구하는 텍사스 달라스 대학 물리학 박사과정 학생인 니나드 동그레는 기존 반도체의 전자 밀도나 밴드갭을 바꾸기 위해서는 연구자들이 화학적 조성을 조정하고 새로운 샘플을 만들어야 한다고 말했습니다.

"이것은 시간이 많이 걸리고 때로는 도전적입니다." 동그레가 말했다. "능면체 그래핀을 사용하면 전기 게이트로 단일 샘플을 변경할 수 있습니다."

장은 3월 16일 주에 캘리포니아 애너하임에서 열리는 American Physical Society(APS) Global Physics Summit에서 초대 튜토리얼과 초대 심포지엄에서 동료 과학자 및 학생들과 능면체 그래핀 물리학에 대한 전문 지식과 최근의 진전을 공유할 예정입니다.

그의 대학원생들도 6일간의 연례 컨퍼런스에서 연구를 발표할 예정이며, 이 컨퍼런스에는 전 세계에서 14,000명 이상의 물리학자와 6,400명의 학생이 참석할 것으로 예상됩니다.

능면체 그래핀을 연구하는 데 있어 과제 중 하나는 실험실에서 분리된 샘플을 제작하기 어렵다는 것입니다. APS 회의에서 발표자이자 Zhang 그룹의 연구 과학자인 Chiho Yoon 박사가 말했습니다. 그래핀 몇 층 샘플은 일반적으로 육각형 그래핀과 능면체 그래핀의 조합으로 구성됩니다.

윤은 "샘플의 한 면은 ABC 스태킹을 보이는 반면 다른 면은 AB 스태킹을 보일 수 있으며 그 사이에 결함이 있습니다."라고 말했습니다. "라인 결함을 식별하고 ABC 영역을 분리하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 장치 제작 중에 AB 영역이 ABC 영역을 추월하게 됩니다. 이 프로세스는 매우 어렵고 최첨단 나노 기술을 보유한 실험가들과 협력하게 되어 다행입니다."

2024년 10월, 독일의 알렉산더 폰 훔볼트 재단은 장을 훔볼트 연구상 수상자로 선정했습니다. 이 상은 근본적인 발견, 새로운 이론 또는 통찰력으로 자신의 분야와 그 너머에 큰 영향을 미친 학자, 그리고 앞으로도 획기적인 기여를 할 것으로 기대되는 학자를 인정하는 상입니다.

"저는 매우 운이 좋았습니다. 우리의 예측이 확인되었을 뿐만 아니라, 15년 전에 시작한 주제가 빠르게 확장되는 분야로 진화했습니다." 장이 말했습니다.

"저를 가장 자랑스럽게 만드는 것은 제 학생들, 박사후 연구원들, 실험 협력자들입니다. 우리는 함께 새로운 발견의 장을 쓰고 있습니다."

장의 연구는 주로 국가과학재단의 자금 지원을 받았는데, 여기에는 교수진 초창기 경력 개발 프로그램(CAREER) 상, 미래를 혁신하고 설계하기 위한 설계 소재(DMREF) 상, 그리고 2D 반도체에 초점을 맞춘 최근 보조금이 포함됩니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250317164457.htm