그래핀은 단 하나의 원자 두께임에도 불구하고 놀라울 정도로 강한 것으로 이미 잘 알려져 있습니다. 그렇다면 어떻게 하면 그래핀을 더욱 강하게 만들 수 있을까요? 바로 다이아몬드 박막으로 만드는 것입니다. 한국의 연구진은 고압을 사용하지 않고도 그래핀을 초박형 다이아몬드 박막으로 변환하는 새로운 방법을 개발했습니다.
그래핀, 흑연, 다이아몬드는 모두 탄소라는 동일한 물질로 이루어져 있지만, 탄소 원자의 배열과 결합 방식에 차이가 있습니다. 그래핀은 탄소 원자 한 겹으로 이루어진 얇은 판으로, 원자들 사이를 가로 방향으로 강하게 결합하고 있습니다. 흑연은 그래핀 판들이 겹겹이 쌓여 만들어지며, 각 판 내부에서는 강한 결합이, 판들 사이를 연결하는 결합은 약한 것으로 구성되어 있습니다. 그리고 다이아몬드는 탄소 원자들이 3차원 방향으로 훨씬 더 강하게 결합되어 있어 놀라울 정도로 단단한 물질입니다.
그래핀 층 사이의 결합을 강화하면 다이아몬드의 2차원 형태인 다이아만(diamane)이 될 수 있습니다. 하지만 문제는 이러한 결합을 만드는 것이 일반적으로 쉽지 않다는 것입니다. 한 가지 방법은 극도로 높은 압력을 필요로 하는데, 압력이 제거되는 즉시 물질은 다시 그래핀으로 되돌아갑니다. 다른 연구에서는 그래핀에 수소 원자를 첨가하는 방법을 시도했지만, 이 경우 결합을 제어하기가 어려워집니다.
이번 새로운 연구를 위해 기초과학연구원(IBS)과 울산과학기술대학교(UNIST) 연구진은 수소를 불소로 대체했습니다. 이중층 그래핀을 불소에 노출시키면 두 층이 더 가까워져 결합력이 강화될 것이라는 가설입니다.
연구팀은 먼저 검증된 화학 기상 증착(CVD) 방식을 이용하여 구리와 니켈로 이루어진 기판 위에 이중층 그래핀을 제작했습니다. 그런 다음, 이 그래핀을 이불화제논 증기에 노출시켰습니다. 이 혼합물에 포함된 불소가 탄소 원자에 결합하여 그래핀 층 사이의 결합을 강화하고, 불소화 다이아몬드(F-다이아몬드)라고 알려진 초박막층을 생성합니다.
새로운 공정은 기존 공정보다 훨씬 간단하여 비교적 쉽게 대량 생산이 가능할 것으로 예상됩니다. 초박형 다이아몬드 시트는 특히 넓은 밴드갭 반도체로서 더욱 강하고 작으며 유연한 전자 부품을 만드는 데 활용될 수 있습니다.
"이 간단한 불소화 방법은 플라즈마나 가스 활성화 메커니즘을 사용하지 않고 상온에 가까운 온도와 저압 조건에서 작동하므로 결함 발생 가능성을 줄입니다."라고 이번 연구의 제1 저자인 파벨 V. 바카레프는 말합니다.
게시 시간: 2020년 4월 24일