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그래핀(graphene)과 같은 2차원 신소재를 단결정 형태로 성장시키는 소재 합성 공식이 발견됐다. 까다로운 단결정 형태 2차원 물질 합성 기술 개발의 길라잡이가 될 전망이다. 펑 딩(Feng Ding) 교수팀(IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더)은 에피택시 합성에서 결정섬 모양의 대칭성과 기판 표면 모양의 대칭성간 상관관계가 단결정 2차원 물질 합성에 영향을 준다는 '공식'을 발견했다. 에피택시 합성법(Epitaxy growth)은 금속기판(substrate) 위에 듬성듬성 생긴 작은 결정 조각인 결정섬(Island)들을 이어 붙여 하나의 큰 단결정을 얻는 방법이다. |
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*기판 표면 모양: 사과를 가로로 자를 때와 세로로 자를 때 단면 모양이 달라지듯 금속 기판도 잘라진 방향에 따라 단면 모양이 다르다.
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단결정은 물질 구성 원자의 배열이 규칙적이며 하나의 배향 (원자들이 이어진 방향성)을 갖는 형태다. 배향이 다른 단결정 여러 개로 이뤄진 다결정보다 품질은 우수하지만, 상용화가 가능한 수준으로 크게 합성하기 어렵다. |
에피택시 합성법은 이를 극복할 단결정 2차원 소재 합성법으로 떠오르고 있다. 이를 통해 차세대 반도체나 전자재료로 주목받는 단결정 그래핀, 육방정계 질화붕소, 이황화몰리브덴(MoS2) 등의 2차원 물질이 대면적으로 합성된 바 있다. 하지만 이러한 2차원 물질의 대면적 합성이 가능한 특정 조건이 제시된 적은 없었다. 펑 딩 교수팀은 컴퓨터 시뮬레이션 연구를 통해 ‘기판 표면 모양의 대칭군(symmetry group)이 결정섬 모양 대칭군의 부분군(subgroup)이어야만 2차원 물질이 단결정 형태로 합성된다’는 특별한 조건을 밝혔다. 대칭군의 원소는 특정 모양을 회전하거나 수평· 수직 평면에 반사했을 때 원래 모양과 같은 형태가 나타나는 행위(조작)이다. 연구팀이 제안한 이론은 과거의 2차원 나노물질을 대면적 단결정으로 합성한 여러 사례와 모두 일치 했다. |
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*대칭군(symmetry group): 군은 집합에 연산을 부여해 특정 조건을 만족시키는 집단을 말한다. 대칭군은 점, 선, 면을 기준으로 회전 혹은 반사 후 원래의 모습과 동일한 형태를 나타내게 하는 조작들로 이뤄진 집단이다. *부분군(subgroup): 군의 부분집합(Subset)이 같은 연산에 대하여 군을 이룰 때 이를 부분군이라 한다. |
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펑 딩 교수는 “일반적으로 기판 표면 모양의 대칭성이 낮을수록, 기판 표면 모양의 대칭군이 결정섬 모양 대칭군의 부분군일 확률이 높아진다”며 “이는 표면 모양의 대칭성이 낮은 기판을 이용해 2차원 단결정을 더 쉽게 합성할 수 있음을 의미한다”고 설명했다. 제 1 저자인 지첸 동(IBS 다차원 탄소 재료 연구단) 박사는 “이 합성 공식을 적용한 새로운 2차원 물질 합성 실험으로 제안한 이론을 추가적으로 입증해 나갈 계획”이라고 설명했다. 이번 연구 결과는 세계적인 학술지인 ‘Nature Communications’ 온라인에 11월 17일자로 공개됐다. 이번 연구수행은 기초과학연구원(IBS)의 지원을 받아 이루어졌다. 논문명: The epitaxy of 2D materials growth |
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[붙임] 용어설명 |
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1. 대칭 조작(Symmetry operation) 어떤 분자를 어떤 점, 선, 면을 기준으로 회전 혹은 반사시켜서 원래의 모습과 동일한 형태를 나타내게 하는 조작들을 ‘대칭 조작’이라 한다. 대칭 조작에는 원 상태 그대로의 ‘항등 조작(Identity, )’, 어떤 축을 중심으로 360도의 n으로 나눈 값으로 회전하여 원 상태와 동일한 구조를 갖는 경우인 ‘회전 조작(Rotation, )’, 에서의 n값이 가장 큰 회전축을 주축이라 할 때, 주축의 수직인 평면에 대하여 반사시켜 원상태가 되는 경우 ‘수평 반사 조작(Horizontal reflection, )’, 평면이 주축을 포함하는 경우 ‘수직 반사 조작(Vertical reflection, )’, 어떠한 대칭점을 중심으로 분자가 반전되었을 때 ‘반전 조작(Inversion, )’ 및 회전 조작과 반전 조작이 합쳐진 ‘회전 반전 조작(Rotation-reflection, )’등이 있다. 2. 대칭군(symetry group) 대칭 조작 들을 원소로 하는 군을 ‘대칭군’이라 한다. 예를 들어 암모니아(NH3)의 경우 의 점 군을 갖는데, 으로 쓸 수 있다. 3. 부분군(Subgroup) 군의 부분집합(Subset)이 같은 연산에 대하여 군을 이룰 때 부분군이라 한다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림 1. (a) 에피택시 합성법 모식도: 하나의 방향으로 배열된 결정섬(Island)들이 지속적으로 성장하고 병합되어 웨이퍼(Wafer) 크기의 2차원의 단결정이 형성되는 것을 보여준다. (b) 단결정 합성과 기판-결정섬의 대칭성 간의 상관관계: 대칭성이 각각 다른 (C6v, C4v, C2v) 금속 기판 위에서의 생성된 C2v 대칭성을 갖는 결정섬의 배열을 나타낸다. 각 배향은 각기 다른 색으로 구분했다. 대칭성이 높은 C6v 기판의 경우 결정섬이 3개의 방향으로 배향돼 결정섬들을 이었을 때 다결정 물질이 합성된다. |
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그림 2. 컴퓨터 시물레이션을 통한 이론 검증. 대칭성이 낮은 금속 기판위에서 단결정으로 합성된 다양한 물질의 결정섬 모양
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