2차원 반도체 핵심 특성의 인공적인 개발 성공- 그래핀의 주요 특성인 디락 입자, 포스포린에서 발생 유도

2차원 반도체 핵심 특성의 인공적인 개발 성공- 그래핀의 주요 특성인 디락 입자, 포스포린에서 발생 유도

등록일 2017.12.04.

 

 

 
2차원 반도체 핵심 특성의 인공적인 개발 성공
- 그래핀의 주요 특성인 디락 입자, 포스포린에서 발생 유도 -
 
 
□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 김근수 교수(연세대학교) 연구팀이 양범정 교수(서울대학교), 최형준 교수(연세대학교) 연구팀과 공동으로 천연 상태에서 존재하지 않는 2차원 반도체*의 중요한 물성을 인공적으로 만드는 데 성공했다고 밝혔다.
    * 2차원 반도체 : 원자 한 겹 두께의 평면구조를 갖는 신물질. 탄소(C) 원자로 이루어진 그래핀과 인(P) 원자로 이루어진 포스포린, 전이금속 칼코겐 화합물 등이 대표적이다.

□ 대표적인 2차원 반도체이자 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀은 디락 입자*를 갖고 있어 전하 이동도가 매우 빠르지만, 밴드갭*이 없어 외부 전기 신호를 이용한 전류 흐름 제어가 쉽지 않아서 반도체 소자로 활용되는 데 어려움을 겪어왔다. 
    * 디락 입자 : 빛처럼 유효질량이 0인 상태로 움직이는 상대론적인 입자. 그래핀이 빠른 전하 이동도를 갖는 것은 유효질량이 없는 것처럼 거동하는 디락 입자 때문이다.
    * 밴드갭 : 반도체 물질의 고유 물리량으로, 전류를 막는 에너지 장벽에 비유할 수 있다. 0에 가까우면 전류가 너무 쉽게 흘러 도체가 되고 아주 크면 절연체가 된다.

□ 반면 또 다른 2차원 반도체인 포스포린*의 경우 밴드갭이 존재하여 전류 흐름 제어는 비교적 쉽지만, 전하가 디락 입자와 같은 성질을 갖고 있지 않아 그래핀과 같은 전하 이동도를 기대하기 어려웠다.
    * 포스포린 : 인(P) 원자로 이루어진 흑린(Black Phosphorus)의 표면 몇 개 층을 떼어낸 2차원 물질로, 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 0.5nm(나노미터·1nm=10억분의 1m) 두께의 박막구조를 갖는다.
□ 연구팀은 지난 2015년, 포스포린 표면에 칼륨원자를 흡착시켜 밴드갭을 제어하는 기술을 발견한 데 이어, 이번에는 밴드갭 제어 기술을 더욱 고도화하여 포스포린에 디락 입자를 인공적으로 발생시켰다.

 ㅇ 디락 입자는 그래핀의 핵심 특성이자 독특한 물성의 근원이지만, 천연상태에서 디락 입자를 갖고 있지 않은 물질에 인공적으로 디락 입자를 만들어내는 것은 불가능할 것이라고 인식되어 왔다. 이 연구는 포스포린의 물성 한계를 극복하여 디락 입자를 인위적으로 유도해낸 최초의 사례이다.

 ㅇ 이 연구에서는 포스포린의 밴드갭 제어 범위를 확장하여 밴드갭 값이 음수에 이르렀고, 이 때 디락 입자가 형성되었다. 이렇게 만들어진 포스포린의 디락 입자는 그래핀과 달리 특수한 결정 대칭성으로 보호되어 안정한 입자를 이룬다.

□ 김근수 교수는 “더욱 완벽한 2차원 반도체 물질을 찾는 것도 중요하지만, 이미 알려진 물질의 한계를 극복하는 물성 제어 기술도 중요하다”라며 “앞으로 반도체 소자의 작동 원리인 전하량 조절을 밴드갭 제어로 대체하는 새로운 개념의 고성능 반도체 소자 개발에 한걸음 더 다가선 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(개인·집단연구), 포스코청암재단, 기초과학연구원 등의 지원으로 수행되었다. 물리학 분야 국제학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 11월 29일 게재되었고, 편집자 추천 논문으로 선정되었다.

<참고자료>  1. 논문의 주요내용    2. 연구결과 개요
   3. 연구이야기         4. 용어설명
   5. 그림설명

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Two-Dimensional Dirac Fermions Protected by Space-Time Inversion Symmetry in Black Phosphorus
   - 저  자 : 김근수 교수 (교신저자, 연세대학교), 김지민 연구원 (제1저자, 포항공과대학교), 양범정 교수 (공동저자, 서울대학교), 최형준 교수 (공동저자, 연세대학교).

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ 2차원 반도체란 원자 한 겹 두께의 평면 구조를 갖는 신물질이다. 예를 들면, 탄소 원자로 이루어진 그래핀, 인(P) 원자로 이루어진 포스포린(혹은 흑린) 등을 꼽을 수 있다. 2차원 반도체는 우수하고 독특한 물성을 갖기 때문에 이를 이용하여 다양한 소자 응용을 꾀할 수 있다. 이러한 가능성 덕분에 지난 12년간 물리학 및 재료과학계의 뜨거운 관심을 받고 있다.
   ○ 하지만 지금까지 발견된 2차원 반도체 물질들은 우수한 물성과 함께 저마다 치명적인 결함도 함께 가지고 있다. 따라서 2차원 반도체 소자를 실현하기 위한 관건 중 하나가 바로 2차원 반도체의 고유 물성의 한계를 극복하는 “물성 제어 기술”이다.
   ○ 대표적인 2차원 물질로 “꿈의 신소재”라 불리는 그래핀은 특별한 전하 (디락 입자*)를 갖기 때문에 전하이동도가 매우 빠르다. 하지만 밴드갭*이 없어서 외부 전기 신호를 이용한 전류 흐름 제어는 용이하지 않아 반도체 소자로 활용하는데 어려움을 겪었다. 반면 포스포린의 경우 밴드갭이 존재하여 전류 흐름 제어는 비교적 용이하지만, 전하가 디락 입자와 같은 성질을 갖고 있지 않기 때문에 그래핀과 같은 우수한 전하이동도를 기대하기 어려웠다.
     * 디락 입자 : 유효질량을 갖는 통상적인 반도체의 전하들과 달리 유효질량이 없는 것처럼 거동하는 상대론적인 입자. 그래핀이 실리콘과 달리 빠른 전하이동도를 갖는 것도 바로 이처럼 유효질량이 없는 상태처럼 행동하는 디락 입자 때문이다.
     * 밴드갭 : 반도체 고유 물리량으로 0에 가까우면 전류가 너무 쉽게 흘러 도체가 되며 아주 크면 전류가 흐르지 못해 절연체가 된다. 따라서 중간 정도의 적당한 밴드갭이 전류 제어에 용이하여 반도체 소자에 이상적이다.

 2. 연구내용
   ○ 본 연구진은 지난 2015년 흑린의 표면 포스포린 층에 칼륨 원자를 도핑하여 밴드갭을 제어하는 물리학적 메커니즘을 발견하여 주목을 받은 바 있다. 이때 밴드갭 제어의 범위는 0 ~ 0.6 전자볼트(eV) 수준이었다.
   ○ 본 연구에서는 이 밴드갭 제어 기술을 더욱 발전시켜 밴드갭 제어의 범위를 확장하였다. 그 결과, 포스포린의 밴드갭 값이 음수에 이르러 밴드 역전* 상태로 만드는데 성공하였으며, 이 때 포스포린의 전자가 그래핀과 유사한 한 쌍의 디락 입자임을 확인하였다.
     * 밴드 역전 : 고체 전자가 지니는 가전자대와 전도대의 에너지 높낮이가 역전되어 음수의 밴드갭을 갖는 상태. 고체의 결정 구조에 따라 디락입자가 형성되기도 한다.
  ○  포스포린의 디락 입자는 그래핀의 디락 입자와 거의 동일하지만 물리학적 관점에서 중요한 차이가 있다. 스핀-궤도 상호작용에 의해 디락 입자가 불안정한 그래핀과 달리 포스포린의 디락 입자는 특수한 결정 대칭성으로 보호되어 안정한 입자를 이룬다. 이 차이로 인해 포스포린에서는 그래핀의 디락 입자로는 연구가 불가능했던 2차원 바일 입자*(하나의 디락 입자가 분열하면 한 쌍의 바일 입자가 형성됨)의 탐색이 가능한 것이다.
     * 바일 입자 : 유효질량이 0이고 스핀이 1/2인 상대론적 입자로 양자장론이나 표준모델에서 이론적으로 중요한 개념이었지만 오랫동안 발견되지 못하였다.

3. 연구 성과
   ○ 디락 입자는 그래핀의 핵심 특성이자 독특한 물성의 근원에 해당하나, 여태까지 디락 입자를 다른 2차원 반도체 물질에 인공적으로 만드는 기술은 불가능한 것이었다. 본 연구는 포스포린의 물성을 폭넓게 제어하여 천연 상태에 존재 하지 않았던 디락 입자를 인공적으로 만들어 낸 최초의 사례이다.
   ○ 또한 학문적 관점에서도 여태까지 발견된 적이 없는 “2차원 바일 입자”를 탐색하는 새로운 연구의 가능성을 열었다.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 원자 한 겹 두께의 2차원 반도체 물질은 독특한 물성과 다양한 소자 응용가능성으로 인해 지난 10년간 응집물질물리학 및 재료과학 분야의 폭넓은 관심을 받아왔다. 하지만 지금까지 발견된 2차원 반도체 물질들은 놀라운 물성과 치명적인 결함을 함께 가지고 있기 때문에, 2차원 반도체 소자를 실현하기 위한 관건 가운데 하나가 바로 2차원 반도체의 고유 물성의 한계를 극복하는 물성 제어 기술이다.
  ㅇ 가장 대표적인 2차원 반도체 물질은 “꿈의 신소재”라 불리는 그래핀(탄소로 이뤄진 2차원 평면구조의 나노물질)이다. 그래핀은 특별한 전자(디락 입자)를 갖기 때문에 전하이동도가 매우 우수하지만 밴드갭이 없기 때문에 외부 전기 신호를 통한 전류 흐름 제어가 용이하지 않아 상용화에 어려움을 겪었다. 반면 후발주자인 포스포린[인(P) 원자로 이뤄진 2차원 평면구조의 나노물질]의 경우 밴드갭이 존재하여 전류 흐름 제어는 비교적 용이하지만, 전자가 디락 입자와 같은 성질을 갖고 있지 않아 그래핀과 유사한 수준의 전하이동도를 기대하기 어려웠다.
2. 연구내용
  ㅇ 연구팀은 지난 2015년 흑린(검은 인, 포스포린이 적층된 형태의 층상 구조 물질)의 표면 포스포린 층에 칼륨 원자를 도핑하여 포스포린의 밴드갭을 제어하는 물리학적 메커니즘을 발견하여 주목받은 바 있다. 이때 밴드갭의 제어 범위는 약 0 ~ 0.6 전자볼트(eV) 수준이었다. 이번 연구에서는 이 밴드갭 제어 기술을 더욱 고도화하여 제어 범위를 획기적으로 향상시켰다. 그 결과, 포스포린을 밴드 역전 상태(밴드갭 값이 음수가 되는 상태)에 이르게 하여 포스포린에 디락 입자를 인공적으로 발생시키는 데 성공한 것이다.
  ㅇ 디락 입자는 그래핀의 놀라운 물성의 근본적 원인에 해당하지만, 여태까지 천연상태에서 디락 입자를 갖고 있지 않은 2차원 반도체 물질에 인공적으로 디락 입자를 만들어 내는 기술은 불가능한 것이었다. 따라서 이번 연구 결과는 포스포린의 물성을 폭넓게 제어하여 디락 입자를 인공적으로 만들어 낸 최초의 사례인 것이다.
3. 기대효과
  ㅇ 일반적인 반도체 소자는 외부 전기 신호에 따라 전하량이 조절되는 원리로 작동한다. 2차원 반도체의 물성 제어 기술이 더욱 발전하면, 전하량 조절을 밴드갭 조절로 대체하는 새로운 개념의 고성능 반도체 소자 개발도 가능할 것으로 기대된다.
  ㅇ  또한 포스포린의 디락 입자는 그래핀의 디락 입자와 거의 동일하지만 학문적 관점에서 중요한 차이가 있다. 포스포린의 디락 입자는 그래핀과 달리 특수한 결정 대칭성으로 보호되어 안정한 입자를 이룬다. 이 차이로 인해 포스포린의 디락 입자는 여태까지 그래핀에서 연구가 불가능했던 2차원 바일 입자(하나의 디락 입자가 분열되면 한 쌍의 바일입자가 형성됨)를 탐색하는 새로운 기초 물리학 연구의 가능성이 열리게 된 것이다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

2차원 반도체는 우리의 삶을 변화시켜줄 만한 무궁무진한 잠재력을 갖고 있으나 치명적인 결함을 동시에 갖고 있다. 더욱 완벽한 2차원 반도체 물질을 찾는 것도 중요하지만, 이미 알려진 물질의 한계점을 극복하는 물성제어 기술이 비록 어렵지만 그 잠재적 중요성이 매우 크다고 생각하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

2015년 포스포린의 밴드갭 제어를 발견한 이후 후속 연구의 일환으로 이번 연구를 시작했다. 다른 새롭고 재미있는 연구 주제도 있었지만, 남들보다 좀 더 앞서 있는 연구를 꾸준히 밀고나가 더욱 심화시키는 것이 중요하다고 생각했다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

그래핀은 천연상태에서 디락 입자를 가지므로 그 존재를 실험적으로 확인하는 것이 비교적 쉽다. 하지만 포스포린의 경우 디락 입자를 만들어 내는 기술 자체가 까다롭기 때문에, 그 존재를 명확히 확인하는 실험은 몇 배나 더 까다롭게 된다. 우리 연구팀의 학생들이 될 때까지 한다는 마음가짐으로 밤을 세워가며 실험하여 달성한 결과이므로 그들의 땀과 노력의 산물이라 하겠다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

2015년 연구 성과가 2차원 반도체의 밴드갭 제어 기술을 처음으로 선보인 연구라면, 이번 연구는 그 기술을 더욱 발전시켜 2차원 반도체의 천연 상태에 존재하지 않는 중요한 물성을 인공적으로 만들어 내는데 이른 것이다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

지금까지 2차원 반도체 물성 제어 연구는 물리학적 원리를 확인하기 위해 표면 도핑 기법을 활용하였다. 하지만 이를 실제 소자로 이용하기 위해서는 외부 전기 신호로 같은 결과를 얻어내야 한다. 이에 성공하면 밴드갭 제어에 의한 신개념 반도체 소자 개발에 더욱 가까워질 것이다.

용 어 설 명

1. 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters) 誌
 ㅇ 인용지수 8.462의 물리학 분야 최고 권위의 학술지.
 
2. 2차원 반도체
 ㅇ 원자 한 겹 두께의 평면구조를 갖는 신물질. 탄소(C) 원자로 이루어진 그래핀과 인(P) 원자로 이루어진 포스포린 등이 대표적
 
3. 밴드갭(Bandgap)
 ○ 물질의 고유한 물리량으로서 전자가 채워진 부분과 채워지지 않은 부분 사이에 전자가 존재할 수 없는 에너지 간극에 해당한다.
 ○ 전자의 이동이 전류가 되는데 이러한 전자의 이동을 가로막는 장벽의 높이에 비유할 수 있다. 밴드갭이 없다는 것, 즉 밴드갭 값이 0에 가까울수록 전류가 쉽게 흐르게 된다. 반도체 소자의 소재로 쓰이기 위해서는 일정 수준의 밴드갭이 존재해야 한다.
 ※ 밴드 역전 : 고체 전자가 지니는 가전자대와 전도대의 에너지 높낮이가 역전되어 음수의 밴드갭을 갖는 상태. 고체의 결정 구조에 따라 디락입자가 형성되기도 한다.
 
4. 포스포린(Phosphorene)
 ○ 인(P) 원자로 된 흑린(black phosphorus)의 표면 몇 개 층을 떼어낸 2차원 물질로 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 0.5㎚ 두께의 박막구조를 갖는다.
 ○ 탄소(C) 원자로 이뤄진 흑연의 한 층을 얇게 떼어낸 그래핀과 유사한 육각벌집 형태의 원자배열을 가지나 변형이 어려운 그래핀과 달리 한 방향으로 규칙적으로 주름이 잡혀있어 외부 압력이나 전기장에 의해 물성제어가 쉬운 것이 장점이다. 
 
5. 디락 입자(Dirac particles)
 ○ 유효질량을 갖는 통상적인 반도체의 전하들과 달리 유효질량이 없는 것처럼 거동하는 상대론적인 입자.
 ○ 실리콘과 같은 보통의 반도체 물질과 달리 그래핀이 빠른 전하이동도를 갖는 것도 바로 이처럼 유효질량이 없는 상태처럼 행동하는 디락 입자 때문이다.
 
6. 바일 입자(Weyl particles)
 ○ 바일 입자는 유효질량이 0이고 스핀이 1/2인 상대론적 입자로 한 쌍의 바일 입자가 하나의 디락 입자를 이룬다.
 ○ 양자장론이나 표준모델에서 중요한 개념이었지만 오랫동안 발견되지 못하였으나, 최근 3차원 바일 입자는 고체 물질에서 발견되어 물리학계의 큰 관심을 불러 일으켰다. 하지만 2차원 바일 입자는 아직 발견되지 않았다.
 ○ 디락 입자가 대칭성 붕괴로 분열하면 한 쌍의 바일 입자가 만들어질 수 있는데, 이 원리를 이용하면 포스포린에서 바일 입자를 발견할 수 있다.

그 림 설 명

 

그림. 만들어진 포스포린의 디락 입자
(왼쪽 그림) 천연 상태의 포스포린 원자 모형(회색), 천연 상태 포스포린에서 전자의 밴드갭(보라색 도형)을 상징적으로 표현함.
(오른쪽 그림) 포스포린(회색)의 표면에 칼륨 원자(노란색)가 도핑된 원자 모형,표면 도핑된 포스포린에 발생하는 한 쌍의 디락 입자(빨간색, 파란색)(디락 입자의 독특한 에너지-운동량 분산 관계)를 상징적으로 표현함. 외부 전기장 신호로 디락 입자를 켜고 끌 수 있으므로, 이를 잘 활용하면 새로운 동작 원리의 고성능 반도체 소자 개발이 가능함.