^*그래핀은 두께가 약 0.2나노미터(㎚, 1㎚=10억 분의 1m)에 불과하지만 기계적 강도가 강철의 200배로 잘 부러지지 않으면서도 유연해 잘 휘어진다. 구리보다 10배 더 전기가 잘 통하고 실리콘보다 전자 이동 속도가 100배 빠르다.

^*화학기상증착법(Chemical Vaper Deposition, CVD): 기체를 가열된 기판 위에 뿜어 화학반응을 일으키게 함으로써 얇은 막(박막)이 형성하게 하는 공정으로 그래핀은 물론 반도체, 금속박막, 유기박막 등을 만들 때 사용된다.

^*구리(111): 물질을 구성하는 원자들은 특정한 결정구조를 가지는데, 구리를 비롯한 금속은 FCC(Face Centered Cunic) 구조를 가진다. 똑같은 구리라도 결정구조에 따라 구리(001), 구리(110), 구리(111) 등으로 구분된다. 최근 그래핀 성장 기판으로는 구리(111)을 많이 쓰이는데, 이는 격자구조가 그래핀 구조와 상당히 일치하기 때문이다.

**애피택시(epitaxy) 성장법: 기판을 결정 씨앗으로 삼아 얇게 성장시키는 결정층. 바로 밑층과 비슷한 층을 형성한다.

^*나노미터(㎚): 1㎚는 10억 분의 1m

^**마이크로미터(㎛): 1㎛는 100만 분의 1m

***그래핀 섬(graphene islands): 그래핀 단일층이 완전 형성되기 전 중간단계로, 그래핀 성장을 의도적으로 완료하지 않았을 때 관찰할 수 있다.

[붙임] 연구추가설명

1. 논문명(저널명)

Highly-Oriented Monolayer Graphene Grown on a Cu/Ni(111) Alloy Foil (ACS Nano, IF: 13.942, DOI:10.1021/acsnano.8b02444)

2. 저자정보

Ming Huang, Mandakini Biswal, Hyo Ju Park, Sunghwan Jin, Deshun Qu, Seokmo Hong, Zhili Zhu, Lu Qiu, Da Luo, Xiaochi Liu, Zheng Yang, Zhongliu Liu, Yuan Huang, Hyunseob Lim, Won Jong Yoo, Feng Ding, Yeliang Wang, Zonghoon Lee, Rodney S. Ruoff

3. Background Information (History of Relevant Research, Key Terms, etc.)

• 그래핀은 ‘sp2 구조의 탄소 원자로 이루어진 단원자층’ 혹은 ‘탄소 원자가 육각형 결정 격자로 조밀하게 배열된 흑연 단원자층’으로 정의할 수 있다.
• 그래핀의 결정립계(grain boundary)는 전자 및 응력의 산란을 가져와 그래핀의 전체적인 물성을 저하시키는 것으로 알려져 있다.
• 그래핀의 결정립계를 최소화한 단결정 그래핀 합성은, 그래핀을 기계, 광학, 전자응용 등 다양한 분야에서 널리 응용할 수 있게 해준다.
• 단결정 그래핀 단일층에 접힘선은 흑연에서 떼어낸 그래핀 단일층에서 발견된 것처럼 일부 이론적 및 실험적 연구에서 예견됐으며, 그래핀에 새로운 전자적‧화학적 성질을 부여할 수 있다. 그러나 단결정 박막 위에서 성장된 단결정 그래핀 단일층의 접힘선에 관한 연구는 아직까지 보고된 바 없다.
• 본 연구진은 그래핀 접힘선은 그래핀 성장 후 냉각 과정에서 금속기판과 그래핀 열수축 차이에 의한 압축 응력에 의해 발생된다는 걸 발견했다.
• 특히 ‘그래핀 섬’의 결합부에는 이러한 압축응력이 집중되는데, 이러한 압축응력의 방출을 위해 3층 구조로 이루어진 접힘선을 형성하게 된다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

현재까지 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)으로 그래핀을 성장시키는 데 사용된 물질은 주로 ‘다결정 구리 포일(foil)’이었으며, 이로부터 성장된 그래핀 역시 다결정이었다. 최근에는 다결정 구리 포일 대신에, 그래핀과 격자불일치(lattice mismatch)가 적은 ‘구리(111) 단결정’ 위에 ‘에피택시(epitaxy)’ 성장으로 단결정에 가까운 그래핀을 성장한 연구결과들이 보고된 바 있다.

2. 연구내용

본 연구에서는 구리(111) 단결정 포일에 1.3에서 8.6 at %의 니켈이 더해진 구리-니켈(111) 단결정 합금포일을 제조하고 이를 기판으로 사용해 단결정에 가까운 단일층 그래핀을 성장시켰다. 기존 구리(111) 단결정 포일 전 영역에 단일층 그래핀을 성장시키기 위해서는 약 60분에 시간이 필요했지만, 이번에 구리-니켈(111) 단결정 합금포일을 이용해 5분 만에 포일 전 영역에 걸쳐 그래핀 도메인들이 한 방향으로 정렬된 단결정에 가까운 구조를 가진 그래핀 단일층을 성장시킬 수 있었다.

연구진은 LEED(low electron energy diffraction) 관찰을 통해 구리(111) 단결정에 니켈을 합금으로 만들 경우, 포일 표면에 니켈원자가 무질서하게 존재하기보다는 약 1 혹은 2 원자두께의 Cu₆Ni 초격자구조(superstructure)를 형성하는 것을 관찰했다. 이 합금 표면에 존재하는 니켈 원자가 그래핀의 성장속도를 향상시킨다.

연구진의 밀도함수이론(density functional theory) 계산 결과에 따르면, 니켈의 첨가로 인해 그래핀 성장 원료인 메탄(CH₄)이 CHi(i=3, 2, 1, 0)로 분해되는 데, 필요한 에너지가 크게 감소하는 것으로 나타났다. 예를 들어 구리(111) 표면 위에서 CH₄가 CH₃ 라디칼로 분해시킬 때 필요한 에너지는 1.56eV이지만, 구리-니켈(111) 표면 위에서 CH₄가 CH₃ 라디칼로 분해될 때는 0.88eV가 필요했다. 이 덕분에 그래핀의 성장 속도가 크게 증가되는 것으로 나타났다.

연구진은 성장된 그래핀 단일층 필름에서 약 40㎚ 넓이의 ‘그래핀 접힘선(folds: 3층의 그래핀으로 이뤄짐)’들이 대략 20㎛ 간격으로 서로 평행하게 나타나며, 이들은 항상 금속 포일의 스텝 엣지(step edge)에 수직하게 나타나는 것을 관찰했다. 또한 그래핀 접힘선은 그래핀 섬 (graphene islands: 그래핀 단일층 필름을 형성하기 전 중간단계로, 그래핀 성장을 의도적으로 완료하지 않았을 때 관찰할 수 있음)들이 서로 결합되는 영역에서 형성되는 것을 고분해능 투과전자현미경(high resolution transmission electron microscopy)을 통해 세계 최초로 관찰했다.

그래핀 필름의 접힘선은 그래핀 성장 중 그래핀과 금속기판 간 서로 다른 열수축(thermal contraction) 차이에 의해 발생하는 압축응력(compresive stress)에 기인한다. 특히 그래핀의 성장 중 그래핀 섬이 서로 만나는 지점에서는 압축응력이 집중되고, 이 응력의 방출로 인해 접힘선이 발생한다. 지금까지 발표된 모든 논문에서는 이러한 접힘선의 존재를 제대로 확인하지 못했다.

3. 기대효과

이번 연구에서는 단결정 구리-니켈 합금포일을 이용해 단결정에 가까운 단일층 그래핀을 고속 성장할 수 있는 기술을 개발했다. 연구팀은 자체적으로 다결정 구리 포일로부터 단결정 구리-니켈 합금포일을 제조했으며, 이 포일 위에 메탄(CH₄) 및 수소(H₂) 가스를 이용한 화학기상증착법으로 단결정에 가까운 단일층 그래핀을 제조했다.

종래에 보고된 구리 포일을 기판으로 한 단일층 그래핀 성장 기술 대비, 본 기술을 통해 성장된 단일층 그래핀은 그래핀 도메인들이 한 방향으로 정렬된 단결정에 가까운 구조를 가지고 있으며, 종래 기술대비 단일층 그래핀의 성장속도를 약 10배 이상 빠르게 할 수 있는 것으로 나타났다.

이 연구는 구리-니켈(111) 단결정 포일의 표면 초격자구조를 규명하고, 이를 이용해 그래핀의 고속 성장을 구현한 첫 번째 연구다. 또한 3층 구조를 가진 그래핀의 접힘선을 규명한 첫 번째 연구이기도 하다. 특히 그래핀 섬들의 결합에 관한 연구는 그래핀 뿐만 아니라 다른 2차원 재료 및 박막의 연구에 도움이 될 방법론을 제공할 수 있다.

[붙임] 그림 설명