[이후종 이길호 교수 연구실] 그래핀 나노선의 밸리대칭 전도 조건 규명

[그림: 이중층 그래핀에서 밸리특성이 보존이 되는 경우(왼쪽)와 안되는 경우(오른쪽), 유사 1차원 그래핀 병목에서의 전자 움직임 모식도 수평형 그래핀 초전도 접합의 모식도. (가운데) 두 경우 나타나는 양자화된 전도도 특성]

포스텍 물리학과 이후종 교수팀이 이길호 교수, 박사과정 이현우, 박건형, 박진호 씨, 일본 히로시마 대학 및 국립재료연구소와의 국제 공동 연구를 통해 유사 1차원 이중층 그래핀 병목에서 나타나는 밸리특성이 보존된 상태에서 나타나는 양자화된 전기전도 특성을 최초 관측하는데 성공했다. 이번 연구를 통해 밸리특성을 이용한 밸리 양자소자를 구현하는데 한발 다가서게 됐다는 평가를 받고 있다. 이 연구는 미국화학회의 대표적인 저명 학술지인 나노레터스에 게재됐다.

탄소원자로 이루어진 이중원자층 그래핀은 전자구조에서 두개의 밴드가 하나의 점에서 접촉하고 있는 특이한 구조를 가지며, 이를 디락점이라 한다. 그래핀 구조의 특성상 동일한 디락점이 두개가 쌍으로 존재하게 되는데, 전자는 어느 디락점에 있든 똑 같은 행동을 하게 된다. 이를 밸리 축퇴성이라 한다. 마치 전자에 스핀이 업과 다운상태가 있듯, 밸리특성도 업과 다운상태가 공존할 수 있는 특성을 보이고, 이 덕분에 밸리 특성을 이용한 밸리 논리 소자로 활용할 수 있는 큰 가능성이 있다. 이를 밸리트로닉스라 부르며, 스핀을 이용한 스핀트로닉스를 대체할 수 있는 흥미로운 응용분야라 할 수 있다.

이런 밸리특성은 그래핀에 원자적으로 작은 이물질이 있을 경우 쉽게 망가지는 것으로 알려졌으나, 나노기술의 한계로 아직까지 밸리특성을 보존하는 것은 매우 도전적인 과제라 할 수 있다. 밸리특성을 잘 보존할 수 있는 방법을 고안하는 것은 밸리트로닉스의 시작점이라 볼 수 있을 정도로 중요하다. 포스텍 이후종 교수 연구팀은 이중층 그래핀을 깨끗한 부도체 물질인 육방질화붕소 단결정으로 감싸는 방법과 함께, 수십 nm수준으로 짧은 전도채널을 형성할 수 있는 새로운 나노집적기술을 개발, 적용시켰다. 그 결과 밸리의존성을 유지하면서 나타나는 양자화된 전기전도도 특성을 이중층 그래핀에서 최초 관측하는데 성공하였으며 밸리특성을 감쇄시키는 원인에 대해 분석하였다.

연구를 주도한 이후종 교수는 “이번 연구 성과는 향후 이중층 그래핀의 밸리 특성을 이용한 밸리 양자 소자를 고안하는 데 유용하게 활용될 수 있다”고 밝혔다.