기초과학

중국과학자, 단층 산화그래핀으로 나노소자 직접 제작

발행일 : 2012 / 11 / 26

중국과학기술대학 허페이마이크로스케일물질과학(合肥微尺度物质科学) 국가지정실험실의 연구원이 원자력 팁(Pt-tip)으로 유도한 국부 촉매환원반응을 이용해 단층 산화그래핀으로 나노 트랜지스터 부품을 직접 제작하여 주목받고 있다. 이 연구성과는 최근 온라인 학술지 “Nature Communications”에 발표되었다.

단층 그래핀은 하나의 단일 원자층 두께의 흑연으로 금속도체보다 전도성, 산열성이 훨씬 우수할 뿐만 아니라, 가장 얇고, 가장 가벼우며, 최고의 강도를 지닌 재료로 알려져 있어, 마이크로전자 분야에서 규소를 대체하여 초정밀 트랜지스터를 제조 가능한 이상재료로 간주되고 있다. 따라서 단층 그래핀으로 나노회로를 직접 제작하는 것이 그래핀 영역의 주요 연구방향이 되었다.

이 문제를 해결하기 위해 분자스케일 양자조종연구팀의 왕샤오핑(王曉平) 교수가 이끄는 연구팀과 뤄이(羅毅)교수 연구팀은 공동 연구를 통해 창의적인 설계방안을 고안해냈다. 즉 절연 산화그래핀으로 국부 환원반응을 통해 도전성 나노회로를 직접 제작하여 트랜지스터 및 연결회로로 구축한다.

짱쿤(張琨) 박사연구생은 백금(Pt)으로 표면에 코팅처리를 한 원자력 팁(Pt-tip)의 국부 촉매작용을 이용해서 수소 분위기에서 산화그래핀을 섭씨 100℃까지 가열한 다음, 최소 폭이 20nm 밖에 안되는 환원 그래핀 벨트를 만들었는데, 그 도전율은 104S/m 이상으로, 산화 그래핀보다 100만배정도 높다.

이론계산을 통해, 이러한 국부 환원반응의 미시적 메커니즘을 규명하였다. 연구진은 또 나노 연결회로와 전계효과 트랜지스터 부품을 성공적으로 시연하였는데, 트랜지스터의 성능은 현재 응용되고 있는 도전성 고분자화합물과 비결정규소 재질의 전계효과 트랜지스터(FET, field effect transistor)보다 훨씬 우수한 것으로 나타났다.

짱쿤은 이 기술을 이용해 나노회로를 직접 제작가능하며, 회로의 선폭을 제어할 수 있고, 제작 조건에 대한 요구가 낮은데다가 기존의 마이크로전자가공기술과 호환성이 있기 때문에 그래핀 나노부품, 전기회로 및 집적에 이르기까지의 최종 실현과 응용이 가능할 것으로 내다봤다.