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동향분석

미국과 스페인 연구진은 분자 빌딩 블록을 기반으로 하는 상향식 제조 기술을 사용해서 폭이 변하는 그래핀으로 원자적으로 완벽한 나노리본을 제조할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 기술은 생물학적 세포가 자연적으로 어떻게 조립되고 성장되는지를 보여주고, 기존의 처리 방법을 사용해서 만든 것보다 훨씬 더 작은 나노구조를 만드는데 사용될 수 있다. 밴드갭과 같은 전기적 특성들은 이런 구조 속에서 변화될 수 있는데, 이것은 더 작고 더 빠르고 더 에너지 효율적인 장치를 만드는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 

“우리는 이전에 사용할 수 있는 것보다 더 폭이 넓은 나노리본을 자기 조립할 수 있는 새로운 방법을 최초로 개발했다”고 캘리포니아 대학의 버클리 캠퍼스(University of California in Berkeley)의 Michael Crommie가 설명했다. 더 넓은 분자 빌딩 블록은 2,2′-di((1,1′-biphenyl)-2-yl)-10,10′-dibromo- 9,9′-bianthracene이고 더 좁은 분자 빌딩 블록은 10,10′-dibromo-9,9′- bianthracene(이 분자는 Roman Fasel, Klaus Muellen에 의해서 이전에 발견되었음)이다. 

“우리는 더 좁은 분자들과 함께 금 표면 위에 새롭고 더 폭이 넓은 나노리본 빌딩 블록을 증착시켰다. 우리가 표면을 가열했을 때, 분자들은 서로 자발적으로 결합되고 폭이 좁고 폭이 넓은 단편이 포함된 접합들을 화학적으로 결합시켰다. 새로운 헤테로구조들은 분자 구성요소를 사용해서 상향식으로 제조되었다”고 이번 연구진은 설명했다. 

이러한 나노리본 헤테로구조들은 나노리본 반도체의 길이를 따라서 국부적인 밴드갭(또는 에너지 갭)을 변화시킬 수 있는 매우 작은 반도체를 만들 수 있게 한다. “이러한 밴드갭 공학은 중요하다”고 Crommie가 설명했다. 밴드갭은 전자들이 반도체 속에 움직이는 방법을 조절할 수 있기 때문에, 전자들이 축적되는 영역을 결정한다. Ab intito 계산은 국부적인 밴드갭 변화들의 물리적 기원을 설명할 수 있게 하고, 나노리본의 길이를 따라서 이런 특성을 제어할 수 있는 것은 서로 다른 유형의 트랜지스터와 다이오드와 같이 더 복잡하고 유용한 나노리본 기반의 장치를 제조할 수 있게 한다. 

새로운 나노리본 구조들이 그래핀과 동일한 재료를 기반으로 하기 때문에, 이번 연구진은 그들이 그래핀과 같이 우수한 특성들을 가질 것으로 예상했다. 이러한 특성들에는 뛰어난 강도, 유연성, 전자가 재료 속에 매우 빠르게 움직일 수 있는 능력이 포함된다. “나노리본은 기존의 장치들보다 훨씬 더 작고, 나노미터 크기에서 구조적으로 완벽하다. 어떤 것은 기존의 제조 기술에 의해서 달성될 수 없다”고 연구진은 말했다.

“이런 나노리본 구조들은 차세대 전자장치의 초고품질 회로 구성요소를 위한 유망한 후보자”라고 Crommie가 말했다. “그들은 더 작고, 더 빠르고, 더 에너지 효율적인 전기 장치를 만들 수 있다”고 Crommie가 덧붙였다.  나노리본들이 유용한 기술들과 결합되기 위해서 훨씬 더 많은 연구가 필요하지만, 이번 연구진은 이 연구가 이것을 구현하는데 중요한 단계가 될 것이라고 말했다. 

이 연구에 참가하지 않는 스위스 연방 물질과학 및 기술 연구소(Swiss Federal Laboratories for Materials, Science and Technology)의 Roman Fasel 박사는 다음과 같이 말했다: "선구물질을 디자인함으로써 이런 재료 속의 밴드갭을 다룰 수 있는 능력이 증명되었다. 이것은 상향식으로 인공 접합을 만들 수 있게 한다. 갭-조절된 그래핀 나노리본의 제조는 복잡한 그래핀 나노리본 장치를 구현하는데 중요하다."

갭-조절된 그래핀 나노리본 헤테로접합의 다음 연구 단계는 장치를 제조하고 그들의 전기적 전달 특성들을 연구하는 것이다. “과학자들은 그래린 나노리본 전계 효과 트랜지스터를 제조할 수 있다는 것을 증명했다. 이 분야의 추가적인 진보를 관찰하는 것은 흥미로운 일이 될 것이다.”

이번 연구에 참여하지 않은 네덜란드 델프트 공대(TU Delft)의 Val Zwiller는 "이 연구에서 설명된 상향식 방법은 매우 흥미롭고 수많은 이상적인 나노리본을 제조할 수 있게 할 것"이라고 말했다. 

이번 연구진은 나노리본 접합을 제조할 수 있는 완벽한 성장 프로세스를 구현할 수 있는 방법을 조사하고 있고 나노리본 단편의 길이를 더 잘 제어할 수 있기를 원하고 있다. “우리는 이런 나노리본 구조가 절연체 위에 놓이고 금속 납의 끝에 연결될 때 전기 회로와 어떻게 반응하는지를 조사하기를 원했다”고 Crommie가 설명했다. 

“지금까지, 우리는 금속 기판 위에 이런 새로운 구조들을 성장시켰고, 고해상도 주사 터널링 현미경을 사용해서 그들의 특성들을 조사했다. 향후에 우리는 그들을 전기 회로에 직접 결합시키기를 원한다. 또한 우리는 새로운 유형의 분자 빌딩 블록을 이용함으로써 완전히 새로운 나노리본 기반의 헤테로구조를 만들기를 원하고 있다.” 이 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 “Molecular bandgap engineering of bottom-up synthesized graphene nanoribbon heterojunctions”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nnano.2014.307).

그림 1. 7-13 그래핀 나노리본 헤테로접합의 상향식 합성.
그림 2. 7–13 그래핀 나노리본 헤테로접합을 위한 실험적인 dI/dV 맵과 이론적인 LDOS.

키워드 : 그래핀, 나노리본, 나노기술

출처 : http://nanotechweb.org/cws/article/tech/59854 





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