미국과 프랑스 연구진은 실리콘 카바이드 기판의 실리콘 면 위에 재료를 성장시킴으로써 그래핀 시트 속에서 가장 큰 밴드갭(0.5 eV)을 생성하는데 성공했다. 이 연구결과는 기존의 것보다 더 우수한 트랜지스터를 제조하는데 그래핀의 전기적 특성들을 활용할 수 있게 할 것이다. 

그래핀은 단지 원자 한 개 두께의 탄소 시트이고, 독특한 전기적 및 기계적 특성 때문에 차세대 분자 장치를 만들 수 있는 유망한 재료이다. 이것은 지극히 큰 전기 전도성과 뛰어난 강도를 가지고 있다. 실제로, 이것은 향후에 실리콘을 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나 반도체성 실리콘과는 달리, 그래핀은 가전자대와 전도대 사이에 에너지 갭이 존재하지 않는다. 밴드갭은 전자의 흐름을 온/오프할 수 있도록 하기 때문에 전자장치 분야에 매우 중요한 요소이다. 

그래핀 속에 밴드갭을 도입하는 한 가지 방법은 이것을 나노리본, 나노메쉬(nanomesh), 양자점으로 절단함으로써 10nm 이하까지 그래핀의 폭을 줄이는 것이다. 또 다른 방법은 그래핀을 도핑하기 위해서 격자 속의 탄소 원자들의 일부를 다른 원자들로 대체하는 것이다. 불운하게도, 프로세스 동안에 발생하는 전자 산란이 재료 속의 전자 이동도와 같은 전기적 성질들을 저하시키기 때문에 어떤 방법도 완벽한 결과를 도출하지 못하고 있다. 게다가 이런 유형의 그래핀을 대량으로 제조하기도 어렵다. 그래핀 속의 밴드갭 부족은 과학자들이 2차원 칼코겐화물과 같은 다른 2차원 재료를 주목하게 했다. 

현재, 조지아 공대(Georgia Institute of Technology), 파리 11 대학(Universite Paris-Sud), Synchrotron SOLEIL의 연구진은 그래핀의 페르미 준위 주변에서 0.5 eV의 밴드갭을 생성시키는데 성공했다. 이런 영역의 밴드갭은 탄소 시트를 실용적인 반도체로 변환시키는데 필수적이다. 

“우리는 진공로에서 실리콘 카바이드를 가열함으로써 우리의 그래핀을 성장시켰다”고 Conrad가 설명했다. “SiC 속에 실리콘이 증착되고 탄소 위의 좌측은 그래핀이 형성된다. 우리는 잘 정렬된 그래핀을 성장시키기 위해서 이런 성장 프로세스를 최적화시키는데 많은 시간을 보냈고, 0.5eV의 밴드갭은 이런 정렬 때문에 발생했다”고 Conrad가 말했다. 박리 또는 점착성 테이프 기술과 같은 다른 방법으로 만들어진 그래핀은 이런 정렬이 부족한데, 이것은 그래핀이 밴드갭을 가지지 못하게 한다. 

이번 연구진은 성장 프로세스를 향상시키고 그들의 정렬된 재료가 이러한 큰 밴드갭을 가지는 이유를 이해하기 위해서 노력하고 있다. “우리는 그래핀으로 금속-반도체 접합을 완벽하게 만들기 위해서 노력하고 있다”고 Conrad가 말했다. “이것은 그래핀만으로 구성된 전자장치를 만들 수 있게 할 것”이라고  Conrad가 덧붙였다. 

이번 연구진은 다른 2차원 재료를 조사하기 위해서 그래핀 속의 정렬을 향상시킬 계획을 가지고 있다. “미국 국립과학재단(National Science Foundation)과 유럽의 billion-euro flagship graphene programme은 다른 2차원 재료들에 그들의 관심을 돌리기 시작했다. 내 관점에서, flagship programme은 많은 돈을 낭비했고, 이황화몰리브덴과 같은 더 무질서한 재료를 조사하는데 연구 초점을 옮겨야 했었다”고  Conrad는 지적했다. 이번 연구는 저널 Physical Review Letters에 “Semiconducting Graphene from Highly Ordered Substrate Interactions”라는 제목으로 게재되었다(DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.136802).  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』