<사진. 가열함으로써 나트륨 원자들을 ‘내몰아서’ 새로운 사방정계 규소 구조를 만들 수 있다.
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

태양 전지를 혁신시킬 수 있는 새로운 규소 동소체

미국에 있는 연구자들이 실리콘의 새로운, 직접 밴드 갭 동소체(direct band gap allotrope)를 합성했다. 그것은 잠재적으로 비소화 갈륨(gallium arsenide)과 같은 물질들의 빛 흡수를 전통적인 규소의 처리 이점과 함께 통합함으로써 발광 장비들과 태양 전지들을 혁신시켤 줄 수 있을 것이다. 현재의 합성은 길고 비싸지만, 그 연구자들은 이를 해결하는 것이 가능할지도 모른다고 생각하고 있다.

규소는 전자 산업의 중심이지만, 흔한 입방체 다이아몬드-구조의 동소체는 간접 밴드 갭을 가지고 있는데, 이것은 전자들이 단순히 광자를 흡수하거나 방출함으로써 원자가 전자대와 전도대 사이를 이동할 수 없다는 것을 의미한다: 그것들은 또한 음자(phonon)가 운동량을 보존할 것을 요구한다. 이 때문에 규소는 비교적 비효율적인 빛의 흡수자나 방출자가 된다. 규소 태양 전지들은 충분한 빛을 흡수하기 위해서 두꺼운 규소 웨이퍼(wafer)를 필요로 하는 반면에, LEDs는 쉽게 분해되고 독성이 있는 비소화 갈륨과 같은 더 비싼 물질들을 필요로 한다.

규소의 사면체 결합은 다양한 가상적인 준안정 구조들을 가능하게 하는데, 이들 중 많은 것들이 흔한 바닥 상태보다 약간 더 높은 에너지를 가진다. 이것들 중 많은 것이 높은 온도에서 관찰되었고 네 개는 대기 조건에서 극적으로 안정하다.

2013년에, 워싱턴에 있는 카네기연구소(Carneigie Institute)에 있는 Timothy Strobel과 동료들이 Na4Si24를 발견했다(O O Kurakevych et al, Cryst. Growth Des., 2013, 13, 303 (DOI: 10.1021/cg3017084)). 이제 그들은 Na4Si24를 진공에서 서서히 가열함으로써 원자들을 내보내서, 새로운 규소의 사방정계 동소체를 만드는 것을 보여주었다(D Y Kim et al, Nat. Mater., 2014, DOI: 10.1038/nmat4140). 이론적인 계산들과 실험은 그 물질이 10GPa와 750K까지 안정하고?광전압 전지를 위해 이상적인?약 1.3eV의 직접 밴드 갭을 가진다고 제시한다.

그 물질은 가루 표본으로만 만들어졌고 쉽지 않은 제조 공정은 그것의 산업적인 잠재성을 분명히 제한할 것이다. 그럼에도 불구하고, Strobel은 이 어려움들을 극복할 수 있다고 낙관하고 있다. "지금 바로, 우리는 매우 훌륭한 품질의 단일 결정들을 키울 방법을 개발하는데 집중하고 있다"고 그는 말했다. "일단 우리가 그렇게 한다면, 우리는 정말로 이 물질이 반도체 산업을 혁신시켜줄 가능성을 가지고 있는지를 입증할 수 있다. 더 나아가, 만약 우리가 이 결정을 알맞은 크기의 기질로 얻을 수 있다면, 우리는 이 동소체를 고압이 완전히 필요없이 만들 수 있고 우리가 지금 다이아몬드를 가지고 만들 수 있는 크기로 에피택시(epitaxially, 어떤 결정이 다른 결정의 표면에서 특정한 방위 관계를 취하면서 성장하는 것)하게 결정들을 키우는 것이 가능하다"고 그는 덧붙였다.

미국 사우스플로리다대(University of South Florida)의 물리학자인 George Nolas는 그 논문의 가장 중요한 면은 새로운 합성 접근법이라고 믿고 있는데, 이것은 "다른 열린-골격 물질 시스템들의 합성에서 채용될 수 있다"고 그는 말했다. 전자 구조 이론학자인 미국 뉴욕 스토니브룩대(Stony Brook University)의 Artem Oganov도 그 물질을 만들기 위해서 사용된 정교한 방법들에 찬사를 보냈다. "이제 질문은 `이 물질이 규소를 이길 것인가 아닌가?’"라고 그는 말했다.  "만약 그럴 수 없다면, 그것은 훌륭한 시도였고, 이러한 시도들을 반복해야 할 것이다. 만약 그럴 수 있다면, 샴페인을 열 때다!"라고 그는 덧붙였다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr