김근수 교수팀, 2차원 반도체 핵심 특성의 인공적인 개발 성공

그래핀의 주요 특성인 디락 입자, 포스포린에서 발생 유도

김근수 교수(물리학과) 연구팀이 우리 대학 최형준 교수팀, 서울대학교 양범정 교수 연구팀과 공동으로 천연 상태에서 존재하지 않는 2차원 반도체의 중요한 물성을 인공적으로 만드는 데 성공했다.

2차원 반도체란 원자 한 겹 두께의 평면구조를 갖는 신물질로 탄소(C) 원자로 이루어진 그래핀과 인(P) 원자로 이루어진 포스포린, 전이금속 칼코겐 화합물 등이 대표적이다. 대표적인 2차원 반도체이자 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀은 디락 입자*를 갖고 있어 전하 이동도가 매우 빠르지만, 밴드갭*이 없어 외부 전기 신호를 이용한 전류 흐름 제어가 쉽지 않아서 반도체 소자로 활용되는 데 어려움을 겪어왔다.

반면 또 다른 2차원 반도체인 포스포린*의 경우 밴드갭이 존재하여 전류 흐름 제어는 비교적 쉽지만, 전하가 디락 입자와 같은 성질을 갖고 있지 않아 그래핀과 같은 전하 이동도를 기대하기 어려웠다.

연구팀은 지난 2015년, 포스포린 표면에 칼륨원자를 흡착시켜 밴드갭을 제어하는 기술을 발견한 데 이어, 이번에는 밴드갭 제어 기술을 더욱 고도화하여 포스포린에 디락 입자를 인공적으로 발생시켰다.

디락 입자는 그래핀의 핵심 특성이자 독특한 물성의 근원이지만, 천연상태에서 디락 입자를 갖고 있지 않은 물질에 인공적으로 디락 입자를 만들어내는 것은 불가능할 것이라고 인식되어 왔다. 이 연구는 포스포린의 물성 한계를 극복하여 디락 입자를 인위적으로 유도해낸 최초의 사례다.

이 연구에서는 포스포린의 밴드갭 제어 범위를 확장하여 밴드갭 값이 음수에 이르렀고, 이 때 디락 입자가 형성되었다. 이렇게 만들어진 포스포린의 디락 입자는 그래핀과 달리 특수한 결정 대칭성으로 보호되어 안정한 입자를 이룬다. 김근수 교수는 “더욱 완벽한 2차원 반도체 물질을 찾는 것도 중요하지만, 이미 알려진 물질의 한계를 극복하는 물성 제어 기술도 중요하다.”며 “앞으로 반도체 소자의 작동 원리인 전하량 조절을 밴드갭 제어로 대체하는 새로운 개념의 고성능 반도체 소자 개발에 한걸음 더 다가선 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(개인·집단연구), 포스코청암재단, 기초과학연구원 등의 지원으로 수행되었다. 물리학 분야 국제학술지 피지컬 리뷰레터스(Physical Review Letters)에 11월 29일 게재되었고, 편집자 추천 논문으로 선정되었다.

[그림] 만들어진 포스포린의 디락 입자.

(왼쪽 그림) 천연 상태의 포스포린 원자 모형(회색), 천연 상태 포스포린에서 전자의 밴드갭(보라색 도형)을 상징적으로 표현함.

(오른쪽 그림) 포스포린(회색)의 표면에 칼륨 원자(노란색)가 도핑된 원자 모형, 표면 도핑된 포스포린에 발생하는 한 쌍의 디락 입자(빨간색, 파란색 디락 입자의 독특한 에너지-운동량 분산 관계)를 상징적으로 표현함. 외부 전기장 신호로 디락 입자를 켜고 끌 수 있으므로, 이를 잘 활용하면 새로운 동작 원리의 고성능 반도체 소자 개발이 가능함.