또 하나의 꿈의 신소재 '포스포린' 반도체 성질 제어 및 그래핀 수준의 전도성 규명 원자 한 겹 두께의 2차원 물질은 독특한 물성과 다양한 소자로의 응용가능성으로 인해 지난 10년간 응집물질물리학 및 재료과학 분야의 폭넓은 관심을 받아왔다. 특히 2차원 물질을 기반으로 한 초소형 반도체 소자 실현을 위한 관건 가운데 하나가 2차원 물질의 고유한 전자물성을 자유자제로 제어하는 기술이다. 국내 연구진이 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀에 버금가고 오히려 그 단점을 극복할 만한 물성을 새로운 2차원 반도체 물질인 포스포린에서 찾아냈다.연구진은 띠 간격(밴드갭)이 없는 그래핀과 달리 포스포린의 띠 간격을 폭넓게 변환(밴드갭 값 0~0.6) 할 수 있는 방법을 찾아내고 전류의 흐름을 자유자재로 제어하는 데 성공한 것이다.그래핀은 철(鐵)보다 강하고, 구리보다 전류가 잘 흐르는 뛰어난 물성 때문에 꿈의 신소재로 각광받았지만, 밴드갭이 없어 전기적 신호에 의해 전류의 흐름을 통제하기 어려워 차세대 반도체 소자로 활용하는 데 치명적인 결함이 되고 있다.연구진은 포스포린의 표면에 칼륨원자를 흡착시켜, 수직방향으로 전기장을 만들고, 그 결과 포스포린의 전자배치에 영향을 미쳐 밴드갭에 폭넓은 변화(밴드갭 값 0~0.6)를 주는 데 성공했다.뿐만 아니라 포스포린의 밴드갭이 0이 될 때는 그래핀처럼 준도체적 상태가 되면서 전도성이 그래핀과 비슷한 수준에 이를 수 있음을 밝혔다. 이로써 원자 한 겹 두께의 고성능, 초소형 반도체 소자 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.이 같은 원리는 일반적인 2차원 반도체 물질에 응용할 수 있다.그러나 실제 포스포린 트랜지스터를 제작하고, 공기 중 포스포린의 산화를 방지하는 기술개발 등 추가 연구를 통해 실용화가 가능할 것으로 예상된다.이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(원장 김두철) 원자제어저차원전자계연구단(단장 염한웅)의 김근수 교수(기초과학연구원 학연교수, 포스텍 물리학과) 연구팀이 연세대 최형준, 이연진 교수 연구팀과 공동으로 수행했다.김근수 교수는 “그래핀 상용화의 고질적 문제점인 밴드갭을 해결하고, 그래핀의 장점만을 취한 것으로 2차원 반도체 물질연구의 중심이 그래핀에서 포스포린으로 이동하는 전환점이 될 것”이라고 밝혔다.

또 하나의 꿈의 신소재 '포스포린'

반도체 성질 제어 및 그래핀 수준의 전도성 규명

기사입력 2015-08-18 07:45:12

[산업일보]

원자 한 겹 두께의 2차원 물질은 독특한 물성과 다양한 소자로의 응용가능성으로 인해 지난 10년간 응집물질물리학 및 재료과학 분야의 폭넓은 관심을 받아왔다. 특히 2차원 물질을 기반으로 한 초소형 반도체 소자 실현을 위한 관건 가운데 하나가 2차원 물질의 고유한 전자물성을 자유자제로 제어하는 기술이다.

2차원 반도체 포스포린(보라색)과 그 표면에 흡착된 이종원자 칼륨(푸른색)의 모식도

국내 연구진이 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀에 버금가고 오히려 그 단점을 극복할 만한 물성을 새로운 2차원 반도체 물질인 포스포린에서 찾아냈다.

연구진은 띠 간격(밴드갭)이 없는 그래핀과 달리 포스포린의 띠 간격을 폭넓게 변환(밴드갭 값 0~0.6) 할 수 있는 방법을 찾아내고 전류의 흐름을 자유자재로 제어하는 데 성공한 것이다.

그래핀은 철(鐵)보다 강하고, 구리보다 전류가 잘 흐르는 뛰어난 물성 때문에 꿈의 신소재로 각광받았지만, 밴드갭이 없어 전기적 신호에 의해 전류의 흐름을 통제하기 어려워 차세대 반도체 소자로 활용하는 데 치명적인 결함이 되고 있다.

연구진은 포스포린의 표면에 칼륨원자를 흡착시켜, 수직방향으로 전기장을 만들고, 그 결과 포스포린의 전자배치에 영향을 미쳐 밴드갭에 폭넓은 변화(밴드갭 값 0~0.6)를 주는 데 성공했다.

뿐만 아니라 포스포린의 밴드갭이 0이 될 때는 그래핀처럼 준도체적 상태가 되면서 전도성이 그래핀과 비슷한 수준에 이를 수 있음을 밝혔다. 이로써 원자 한 겹 두께의 고성능, 초소형 반도체 소자 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

이 같은 원리는 일반적인 2차원 반도체 물질에 응용할 수 있다.

그러나 실제 포스포린 트랜지스터를 제작하고, 공기 중 포스포린의 산화를 방지하는 기술개발 등 추가 연구를 통해 실용화가 가능할 것으로 예상된다.

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(원장 김두철) 원자제어저차원전자계연구단(단장 염한웅)의 김근수 교수(기초과학연구원 학연교수, 포스텍 물리학과) 연구팀이 연세대 최형준, 이연진 교수 연구팀과 공동으로 수행했다.

김근수 교수는 “그래핀 상용화의 고질적 문제점인 밴드갭을 해결하고, 그래핀의 장점만을 취한 것으로 2차원 반도체 물질연구의 중심이 그래핀에서 포스포린으로 이동하는 전환점이 될 것”이라고 밝혔다.