흑린의 성능저하 난제를 풀다
- 차세대 2차원 반도체 소자로서 흑린의 재조명 기대 -
□ 이연진 교수(연세대), 김태경 교수(한국외대) 공동 연구팀이 흑린 응용의 가장 큰 걸림돌인 흑린의 성능저하 원리를 규명하고, 근본적 해결책을 제시했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.
□ 흑린은 독특한 원자 배열을 가진 인(P) 원소만으로 이루어진 물질이다. 그래핀처럼 2차원 박리가 가능하며, 전기적‧광학적 성질이 매우 우수하다. 전류 제어가 어려운 그래핀과 달리 흑린은 밴드갭*을 조절해 전류 제어가 가능하므로 전자소자 제작이 용이하다는 장점도 있다. 그러나 공기 중 산소와 수분에 취약한 불안정성으로 인해 물성 연구와 응용에 어려움을 겪고 있다.
* 밴드갭 : 전기전도성을 결정하는 에너지 준위 차
□ 연구팀은 흑린의 성능저하를 결정하는 핵심 물리량이 전자 밀도*임을 규명하고, 이를 제어해 성능저하를 방지할 수 있음을 밝혔다.
* 전자 밀도 : 물질 내 특정 에너지에 존재하는 전자의 양
ㅇ 흑린은 두께에 따라 밴드갭이 변화하는데, 연구팀은 이 독특한 물리적 성질이 성능저하와 깊은 연관성이 있을 것으로 예상했다. 따라서 공기 중 산소, 수분과 반응해 흑린의 표면 성질이 변화함을 원자간력 현미경으로 정밀하게 측정했다.
ㅇ 그 결과, 일반적인 예상과는 반대로 여덟 층 이상의 두꺼운 흑린이 두 층의 얇은 흑린보다 빠른 성능저하가 발생했다. 연구팀은 이를 설명할 수 있는 이론적 모델을 개발했다. 이 연구모델에 따르면 흑린이 두꺼울수록 밴드갭이 작아지고 전자 밀도는 커지며, 이로써 산소‧수분과의 화학반응이 가속되었다.
□ 김태경 교수는 “성능저하 원인을 설명하는 이론적 모델은 흑린에만 국한되는 모델이 아니며, 다른 2차원 반도체에 적용시킬 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 설명했다. 이연진 교수는 “향후 흑린의 표면 전자밀도를 제어하여 전기적 특성뿐 아니라 안정성 또한 향상시킨 전자소자를 제작할 계획이다”라고 후속 연구 계획을 밝혔다.
□ 이 연구는 교육부‧과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(선도연구센터‧기본연구‧중견연구‧리더연구)의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 내부표지 논문으로 선정되어 2019년 12호(3월 11일)에 출판되었다.
