그래핀은 원자 하나 두께에 불과하지만 놀라울 정도로 강한 것으로 이미 잘 알려져 있습니다. 그렇다면 어떻게 더 강하게 만들 수 있을까요? 바로 다이아몬드 시트로 만드는 것입니다. 한국의 연구진은 고압을 사용하지 않고도 그래핀을 가장 얇은 다이아몬드 박막으로 만드는 새로운 방법을 개발했습니다.
그래핀, 흑연, 다이아몬드는 모두 탄소라는 동일한 물질로 이루어져 있지만, 이 두 물질의 차이점은 탄소 원자의 배열과 결합 방식입니다. 그래핀은 탄소 원자 한 개 두께의 얇은 판으로, 수평 방향으로는 강한 결합을 이루고 있습니다. 흑연은 그래핀 판들이 서로 겹쳐져 있으며, 각 판 내부는 강한 결합으로 이루어져 있지만, 다른 판들은 약한 결합으로 연결되어 있습니다. 다이아몬드는 탄소 원자들이 3차원적으로 훨씬 더 강하게 연결되어 있어 놀라울 정도로 단단한 물질을 형성합니다.
그래핀 층 사이의 결합이 강화되면 다이아메인(diamane)이라고 불리는 2차원 다이아몬드 형태로 변할 수 있습니다. 문제는 일반적으로 이 과정이 쉽지 않다는 것입니다. 한 가지 방법은 매우 높은 압력을 필요로 하며, 압력이 제거되면 재료는 다시 그래핀으로 돌아갑니다. 다른 연구에서는 그래핀에 수소 원자를 첨가했지만, 이로 인해 결합을 제어하기가 어렵습니다.
기초과학연구원(IBS)과 울산과학기술원(UNIST) 연구진은 이번 연구를 위해 수소 대신 불소를 사용했습니다. 이중층 그래핀을 불소에 노출시키면 두 층이 더 가까워져 더 강한 결합이 형성된다는 원리입니다.
연구팀은 구리와 니켈로 만들어진 기판 위에 검증된 화학 기상 증착(CVD) 방법을 사용하여 이중층 그래핀을 제작하는 것으로 시작했습니다. 그런 다음, 그래핀을 이플루오르화제논 증기에 노출시켰습니다. 이 혼합물 속 불소는 탄소 원자에 달라붙어 그래핀 층 사이의 결합을 강화하고, F-다이아만(F-diamane)이라고 불리는 매우 얇은 불소화 다이아몬드 층을 형성합니다.
이 새로운 공정은 다른 공정보다 훨씬 간단하여 규모 확장이 비교적 용이할 것으로 예상됩니다. 초박형 다이아몬드 시트는 더욱 강하고, 더 작고, 더 유연한 전자 부품을 만들 수 있으며, 특히 와이드갭 반도체의 경우 더욱 그렇습니다.
"이 간단한 불소화 방법은 플라즈마나 가스 활성화 메커니즘을 사용하지 않고 거의 실온과 낮은 압력에서 작동하므로 결함이 발생할 가능성이 줄어듭니다."라고 이 연구의 첫 번째 저자인 파벨 V. 바카레프가 말했습니다.
게시 시간: 2020년 4월 24일