[한국기술뉴스] UNIST 신소재공학과 펑 딩 교수팀은 2차원 물질을 단결정 형태로 합성하기 위해 필요한 기판 선택 기준을 이론적으로 제시했다. 

같은 물질이더라도 단결정 형태는 다결정 형태보다 품질이 우수하다. 이론 계산 결과에 따르면 기판 단면에 계단 모양 구조가 더 조밀한 고 밀러지수 기판이 2차원 물질을 단결정 형태로 합성하는 데 적합한 것으로 나타났다.

밀러 지수는 물질의 단면 모양을 수학적 기호로 표현한 것이다. 수박을 가로 또는 세로로 잘랐을 때 단면 모양이 다른 것처럼 원자가 차곡차곡 쌓인 구리 같은 금속 기판도 절단 방향에 따라 단면 모양이 달라진다. 단면을 대각으로 자른 고 밀러지수 면(high index surface)은 원자가 한 층씩 계단처럼 쌓인 구조(step edge)가 있다.

이번 연구에서는 계단 구조가 더 조밀한 고 밀러 지수 기판일수록 2차원 물질을 단결정 형태로 쉽게 합성할 수 있다는 사실을 밝혔다. 실제 기판은 이론과 달리 단면이 완벽하게 평편하지 못하고 울퉁불퉁 하기 때문이다. 표면이 울퉁불퉁해지면 계단 모서리가 직선이 아닌 구불구불한 곡선 형태를 띠는데, 계단 구조가 조밀하면 모서리 형태가 단결정 합성에 유리한 직선 형태에 더 가까워진다.

연구팀은 육방정계 질화붕소를 다양한 단면 모양을 갖는 고 밀러지수 구리 기판에 합성하는 컴퓨터 시뮬레이션을 해 이 같은 사실을 밝혀냈다. 시뮬레이션 결과는 그 간의 2차원 물질 합성 실험 결과도 잘 설명했다.

제 1저자인 레이닝 짱 연구원은 “이번 이론 연구 결과는 기존 관행과 달리 고 밀러지수 기판을 2차원 단결정 물질 합성에 적극적으로 활용해야 함을 다시 한 번 입증한 것”이라고 설명했다.펑 딩 교수는 “반도체에 쓰이는 단결정 실리콘 합성 기술은 수십 년간 연구돼 명확한 제조 방법이 확립된 반면 새로 등장한 그래핀, 육방정계 질화붕소 같은 2차원 물질을 단결정 형태로 합성하는 기술은 아직 초기 연구단계”라고 설명했다.

딩 교수는 이어 “단결정 2차원 물질의 제조 기술을 확립하는 데 필요한 시행착오를 줄이는 이론 연구의 도움을 받는다는 5~10년 이내에 단결정 2차원 물질을 상업화 가능한 수준으로 대량 합성하는 기술을 개발 할 수 있을 것”이라고 기대했다.