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연세소식

[연구 프론티어] 이연진 교수팀, 흑린의 성능저하 난제를 풀다

연세대학교 홍보팀 / news@yonsei.ac.kr
2019-03-15

이연진 교수팀, 흑린의 성능저하 난제를 풀다

차세대 2차원 반도체 소자로서 재조명 기대 


이연진 교수(물리학과) 연구팀이 흑린 응용의 가장 큰 걸림돌인 흑린의 성능저하 원리를 규명하고 근본적 해결책을 제시했다. 


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* 조절을 통해 전류 제어가 가능해 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 밀도임을 규명하고, 이를 제어해 성능저하를 방지할 수 있음을 밝혔다. 전자 밀도란 물질 내 특정 에너지에 존재하는 전자의 양을 의미한다. 


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 원자력간 현미경으로 정밀하게 측정했다.


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.



이연진 교수는 “성능저하 원인을 설명하는 이론적 모델은 흑린에만 국한되는 모델이 아니며, 다른 2차원 반도체에 적용시킬 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 설명했다. 더불어 “향후 흑린의 표면 전자밀도를 제어하여 전기적 특성뿐 아니라 안정성 또한 향상시킨 전자소자를 제작할 계획”이라고 후속 연구 계획을 밝혔다.


한편, 이 연구는 김태경 교수(한국외대)와의 공동연구로 수행되었으며 교육부‧과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(선도연구센터‧기본연구‧중견연구‧리더연구)의 지원을 받았다. 연구 결과는 국제학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 내부표지 논문으로 선정되어 2019년 12호(3월 11일)에 출판됐다. 



[그림] (a) 원자 2층 흑린과 8층 흑린의 전자구조(전자밀도 분포)와 산소분자의 에너지 레벨  (b) 이론 모델과 실험결과 비교

흑린의 전도 밴드 전자밀도와 산소분자의 에너지 레벨 분포가 많이 교차할수록 전자이동이 원활하게 일어난다. 이론 모델과 실험결과 모두 층 수가 줄어듦에 따라 전자 전달율과 두께 변화율이 매우 작아진다.



[그림] 내부표지 이미지(산소와 수분에 의해 성능저하가 발생하는 흑린)

산소(붉은색)가 흑린 표면에 흡착된 후 전자가 이동되어 산화가 일어나고 그와 동시에 수분이 흡착되어 성능저하가 발생하는 흑린의 표면 변화과정(좌→우). 이 그림은 앙게반테 케미 (Angewandte Chemie) 2019년 12호 내부 표지로 채택되었다.


 

vol. 621
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