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미국 연구진은 용액 기반의 기술을 사용해서 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트의 2차원 시트를 만들 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 

그래핀, 질화붕소, 이황화 몰리브덴과 같은 2차원 반도체를 성장시킬 때 하이브리드 유기-무기 페로브스카이트를 첨가시킴으로써 독특한 특성들을 가지게 할 수 있고, 이런 재료들은 차세대 장치에 실리콘의 대체물로 사용될 수 있다. 다른 경쟁 물질과는 달리 이러한 2차원 하이브리드 페로브스카이트는 이온성 재료인데, 이것은 그들 스스로 특별한 특성을 가지게 한다. 

미 에너지부의 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 연구진은 용액 처리 방법으로 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트의 원자적으로 매우 얇은 2차원 시트를 성장시키는데 성공했다. 매우 얇은 시트는 높은 품질을 가지고, 대면적으로 성장할 수 있고, 사각형 모양을 가지고 있다. 또한 이 하이브리드 페로브스카이트는 효율적인 광발광, 색상 조율성 등을 가지고 있고 독특한 구조적 이완은 공유 반도체 시트에서 발견되지 않았다. 

“우리는 이온성 재료로 만들어진 2차원적으로 매우 얇은 나노구조를 만드는데 최초로 성공했다”고 Peidong Yang은 말했다. “우리의 연구결과는 원자적으로 매우 얇은 2차원 하이브리드 페로브스카이트의 합성 및 특성 평가에 대한 새로운 길을 열어줄 것이고, 전계 효과 트랜지스터와 광검출기와 같은 나노크기 광전자장치에 적용될 수 있는 용액 처리된 2차원 반도체를 만들 수 있게 할 것”이라고 Yang은 덧붙였다.  이 연구결과는 저널 Science에 “Atomically thin two-dimensional organic-inorganic hybrid perovskites” 라는 제목으로 게재되었다(Atomically thin two-dimensional organic-inorganic hybrid perovskites). 

기존의 페로브스카이트는 강유전성, 압전성, 초전도성, 거대 자기저항 등의 매력적인 전자기적 특성들을 가지고 있는 금속-산화물이다. 과거 몇 년 전에, 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트는 20%의 전력 전환 효율을 가진 광발전 장치에 적용되기 위해서 박막 또는 벌크 결정으로 만들어졌다. 스핀 코팅, 화학 기상 증착, 기계적 박리와 같은 기술들을 통해서 이러한 하이브리드 재료들을 각각의 2차원 시트로 분리하는 것은 제한적인 성공을 거두었다. 

1994년에, 이번 연구진은 전기적 특성을 제어할 수 있는 2차원 하이브리드 페로브스카이트 나노구조를 제조하는 방법을 제안했지만, 이것을 구현하지는 못했다. 현재, 이번 연구진은 기존에 제안했던 방법을 구현하는데 성공했다. 이 방법은 CH3NH3PbI3의 매달려 있는 2차원 시트를 합성할 수 있게 한다. CH3NH3PbI3은 납, 브롬, 질소, 탄소, 수소 원자의 복합물로 만들어진 하이브리드 페로브스카이트이다. 

“박리와 화학 기상 증착 방법과는 달리, 이 방법은 높은 수율과 우수한 재현성을 가지면서 평편한 기판 위에 균일한 사각형 2차원 결정을 성장시킬 수 있었다” 고 Dou가 말했다. “우리는 다양한 기술을 사용해서 각각의 2차원 결정 구조와 조성의 특성을 평가했고, 구조적 이완에 기여하는 약간의 변환된 띠-끝 방사(band-edge emission)를 가진다는 것을 발견했다. 예비 광발광 연구는 453나노미터에서 띠-끝 방사를 가진다는 것을 확인했는데, 이것은 벌크 결정과 비교했을 때 약간의 적색-편이를 가지게 했다. 이것은 색상-조정과 관련된 재료 합성에 의해서 시트 두께와 조성을 변화시킴으로써 2차원 하이브리드 페로브스카이트에서 달성되었다”고 Dou가 설명했다.  

사각형 모양의 2차원 결정은 고품질의 결정성을 가지고 있고, 그들의 큰 크기는 차세대 장치 속에 그들을 집적하는데 용이하게 한다. “우리의 기술을 사용해서, 우리는 수직 및 수평 헤테로구조들을 만들 수 있었다”고 Yang은 말했다. “이것은 원자/분자 크기 위에 새로운 특성들을 가진 재료/장치를 디자인할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다”고 Yang은 덧붙였다. 

그림. 사각형 모양을 가진 새로운 2차원 하이브리드 페로브스카이트의 매우 얇은 시트. 이 나노물질은 차세대 전자장치에 용이하게 집적할 수 있다. 

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-09-29






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