DGIST·KAIST, 떨어진 그래핀층 전자 상태 바꾸는 원리 규명

[대구=이데일리 홍석천 기자] DGIST와 KAIST 공동연구팀이 한 층에 만든 ‘무아레’ 구조로 전자적으로 분리된 다른 층의 전자 상태까지 바꿀 수 있음을 확인했다. 층 사이의 직접적인 전자 이동 없이 정전기적 상호작용으로 영향을 전달하는 원리로, 다층 2차원 전자소자를 설계하는 새로운 가능성을 제시했다.

DGIST는 화학물리학과 김영욱 교수팀이 KAIST 조길영 교수팀과 ‘원격 무아레 변조’ 현상을 실험적으로 규명해 국제학술지 ‘ACS Nano’에 발표했다고 15일 밝혔다.

무아레는 규칙적인 두 무늬를 조금 어긋나게 겹쳤을 때 더 큰 무늬가 나타나는 현상이다. 그래핀 같은 원자층 물질에서도 겹치는 각도를 조절하면 무아레 초격자가 만들어져 전자의 움직임과 에너지 상태에 영향을 줄 수 있다.

연구팀은 그래핀 세 층을 서로 약 5도씩 비틀어 쌓고, 가장 위쪽 그래핀만 육방정계 질화붕소(hBN)와 정렬한 소자를 제작했다. 위층에는 무아레 구조가 형성되지만 아래 두 층에는 직접적인 무아레 구조가 생기지 않고, 층간 전자 이동도 크게 억제되는 조건이다.

왼쪽부터 DGIST 화학물리학과 김영욱 교수, 펜실베이니아주립대 김도훈 박사후연구원, DGIST 최준식 대학원생. (사진=DGIST)

전기적 특성을 측정하자 아래쪽 그래핀에서도 무아레의 영향을 받은 신호가 나타났다. 위쪽 그래핀과 hBN의 정렬 각도를 0도·1도·2도로 바꿔 무아레 주기를 조절하자 아래층의 신호도 이에 맞춰 달라졌다.

연구팀은 층별 전하 밀도 분석을 통해 위층의 무아레 퍼텐셜이 정전기적 상호작용으로 아래층 전자 상태를 변화시킨다고 설명했다. KAIST 연구팀의 이론 분석도 이러한 해석을 뒷받침했다.

이번 성과는 무아레 구조를 만드는 층과 전자 상태를 조절할 층을 분리할 수 있음을 보여준 기초연구다. 향후 한 층의 구조 설계로 다른 층의 전자적 특성을 제어하는 소자 연구에 활용될 것으로 연구팀은 기대했다.

김영욱 교수는 “무아레 퍼텐셜이 만들어진 계면을 넘어 전자적으로 분리된 다른 층에도 영향을 미칠 수 있음을 보여줬다”며 “새로운 방식의 2차원 전자소자 개발로 이어질 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

공동 제1저자로는 김도훈 박사와 최준식 연구원이 참여했으며, 한국연구재단 등의 지원을 받아 연구를 수행했다.