연구진의 시뮬레이션에 따르면 절연체 기판을 쓸 때는 원료(전구체)가 그래핀 가장자리(edge)에 바로 달라붙어 성장한다. 이 경우 수소가 같이 붙게 되는데 수소를 제거하는 데 많은 에너지가 소모돼 절연체 위에서 그래핀 성장이 느리다. 반면 금속 기판을 쓰면 원료가 금속 기판을 타고 빠르게 이동할 수 있어 그래핀 성장이 빠르다.

또 연구팀은 CH3(메틸 래디컬)가 가장 중요한 역할을 하는 원료라는 사실도 밝혔다. CH3은 그래핀에 탄소 공급할 뿐만 아니라 그래핀 가장자리의 수소를 제거하는 역할도 한다. 메탄가스가 분해돼 생기는 증기 상태 원료 중 CH3이 비율이 낮은 것도 그래핀 성장 지연의 원인으로 볼 수 있다. 한편, CVD 공정 중 메탄가스(CH4)는 CH3(메틸 래디컬)를 포함하는 다양한 활성 물질(래디컬, Radical)로 상태로 존재한다.

제1저자인 팅 청(Ting Cheng) 연구원은 “이번 연구로 절연체를 기판으로 써 그래핀을 합성할　때는 금속 기판에 합성할 때와 달리 기판 종류 보다는 원료 종류가 더 중요하다는 것이 밝혀졌다”고 전했다.

딩 교수는 “에너지 소모가 가장 많은 반응 단계를 활성화 시키면 절연체 기판 위에서도 그래핀 성장을 촉진 시킬 수 있을 것”이라며 “이번 연구는 그 단서를 찾았다는데 의미가 있다”고 설명했다.

중국 베이징大 분자화학과 쫑판 류(Zhongfan Liu) 교수, 쯔롱 류(Zhirong Liu) 교수팀과 함께한 이번 연구 결과는 나노 과학 분야 국제학술지인 ‘에이씨에스 나노’(ACS Nano)에 3월 22일자로 공개됐다. 연구수행은 기초과학연구원(IBS)의 지원을 받아 이뤄졌다.

논문명: The Mechanism of Graphene Vapor-Solid Growth on Insulating Substrates