서강대학교는 물리학과 정현식 교수 연구팀(공동교신저자: 물리학과 유효빈 교수, 고등과학원 손영우 교수)의 연구 성과가 재료과학 분야의 최고 권위 학술지인 ‘네이처 머티리얼스’(Nature Materials; 인용지수 43.841)에 4월 28일 온라인 게재되었다고 밝혔다.

본 연구는 서로 다른 2차원 물질을 접합하여 만든 이종접합 계면에서 소용돌이 형태의 원자구조 변형과 관련된 독특한 광신호를 관찰한 것으로, 이종접합을 통해 우수한 특성을 발현시키고 이를 다양한 소자로 활용하는 데 있어 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

2차원 물질로 이루어진 이종접합 계면 구조는 신소재 및 차세대 소자 개발을 위해 매우 중요한 플랫폼이다. 탄소 원자 단일 층으로 이루어진 그래핀과 같은 2차원 물질은 2010년 노벨 물리학상의 주제였을 뿐만 아니라, 탁월한 물성으로 인해 차세대 첨단 나노 소자로 활용될 것이 기대되며 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 

2차원 물질은 층과 층 사이가 매우 약하게 결합되어 쉽게 박리될 수 있으며, 박리된 2차원 물질을 쌓으면 자연에 존재하지 않는 새로운 물질로 탄생한다. 이종접합 구조에서 각각의 단일 2차원 물질과는 전혀 다른 특성이 나타나는 것이다. 특히 2차원 물질을 쌓을 때 각 층의 격자 방향 사이의 각도인 적층 각도에 따라 물성이 달라지는 것이 보고되었고, 이를 이용하여 기존의 한계를 뛰어넘는 새로운 소재와 소자를 개발하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 

최근까지 이렇게 2차원 물질을 쌓을 때 층과 층 사이의 결합이 매우 약하기 때문에 마치 레고 블록을 쌓는 것처럼 각각의 층에는 변형이 없이 쌓이는 것으로 알려졌다. 2차원 물질 두 장을 1도 내외의 작은 접합 각도로 비틀려서 쌓으면 각 층의 원자 배열이 변형되는 것이 보고되었으나 접합 각도가 큰 경우에는 원자변형이 없을 것으로 추정된 것이다. 

하지만 본 연구에서 이셀레늄화텅스텐(WSe2)과 이황화몰리브덴(MoS2) 단일 층을 접합하여 만든 이종접합 구조에서 접합 각도가 큰 경우에도 소용돌이 형태의 원자구조 변형이 발생하여 물질의 특성이 크게 달라진다는 것을 실험과 이론을 통해 밝혀내었다. 이로써 2차원 물질 이종접합에 대한 기존의 이해에 근본적인 변혁을 가져오게 될 전망이다.

정현식 물리학과 교수는 “기존에 학계에서 정설로 받아들여지던 ‘레고 블록’ 모형에 대한 근본적인 수정을 제안함으로써, 앞으로 2차원 물질 이종접합 연구와 이를 소재로 이용한 차세대 전자 및 광전 소자 개발에 크게 기여할 것”이라고 전했다.

현재 우리가 사용하는 여러 가지 전자소자 및 광전 소자의 한계를 극복할 수 있는 대안 중 하나로 2차원 물질을 접합하여 만든 이종접합 플랫폼이 새롭게 대두되고 있다. 본 연구는 이종접합을 소재로 하는 차세대 전자 및 광전 소자를 설계하고 개발하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 

한편 해당 연구는 한국연구재단의 중견연구, 신진연구, 선도연구센터(판데르발스 물질 연구센터) 사업의 지원으로 수행되었으며, 공동 제1 저자로 김중철 박사과정(現 삼성전자 연구원), 고은정(고등과학원) 박사가 참여하였다. 

이현건 기자 다른기사 보기