초록 ▼

2010년 노벨 물리학상이 그래핀 연구자에게 수여되면서 2차원 소재에 대한 관심이 급격히 늘어나고 있으며, 투명 전극 등을 포함한 실용화에 대한 전망도 높아지고 있다. 그래핀은 전기 전도도, 투명도, 신축성 등 다양한 분야에서 미래 소재로 사용될 수 있다는 강점 때문에 많은 연구 및 산업적 개발이 진행되고 있다. 위와 같은 유용한 특성이 있는 그래핀뿐만 아니라 반도체적 성질을 갖고 있는 MoS2를 비롯한 다른 2차원 물질들도 연구가 활발히 진행되어 가고 있다. 상기한 2차원 물질들의 응용 가능성을 타진하기 위해 기판에 기인한 구조적

2010년 노벨 물리학상이 그래핀 연구자에게 수여되면서 2차원 소재에 대한 관심이 급격히 늘어나고 있으며, 투명 전극 등을 포함한 실용화에 대한 전망도 높아지고 있다. 그래핀은 전기 전도도, 투명도, 신축성 등 다양한 분야에서 미래 소재로 사용될 수 있다는 강점 때문에 많은 연구 및 산업적 개발이 진행되고 있다. 위와 같은 유용한 특성이 있는 그래핀뿐만 아니라 반도체적 성질을 갖고 있는 MoS2를 비롯한 다른 2차원 물질들도 연구가 활발히 진행되어 가고 있다. 상기한 2차원 물질들의 응용 가능성을 타진하기 위해 기판에 기인한 구조적 변형과 2차원 공간에 확산된 분자에 의한 그래핀의 변형 그리고 적층 방식에 따른 진동 특성 변이 현상을 연구하였다.

가. 원자 두께를 가진 2차원 물질의 기본물성 탐구: 기판에 기인한 2차원 소재의 구조적 변형
일반적으로 산화 실리콘 위 그래핀은 기판의 영향으로 전하 도핑과 변형이 유발된다는 사실이 알려져 있다. 본 연구에서는 기존에 라만분광법으로 그래핀의 전하도핑과 변형에 대한 정량분석 하는 방법을 이용하여 이중층부터 수 백 겹까지의 그래핀에 대해서도 분석하여 그래핀 층수에 따른 변형 정도를 관측하였다. 1-4 층까지의 그래핀에 라만 매핑을 진행한 후에 G와 2D피크의 파수의 상관관계 그래프를 그려본 결과 층수가 증가할수록 기판에 의한 그래핀의 변형으로 인해서 라만 피크 파수의 변폭이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 상기한 변화는 그래핀이 수 십 겹이 되면서 점점 감소하다가 30겹 이상의 그래핀에서는 관측되지 않음을 알 수 있었다.

나. 2차원 물질의 표면 조작과 나노구조화 연구: 2차원 공간을 통한 분자의 확산과 그래핀의 변형
라만 분광학을 이용하여 그래핀으로 전달된 유효 전하량을 분석하는 방법은 그래핀의 전자구조를 이해하거나 화학 반응을 관찰하는 중요한 도구가 될 수 있다. 산화 실리콘을 기판으로 사용한 그래핀 샘플은 열처리 후 정공이 생성되는 것이 이미 알려져 있다. 본 연구에서는 열처리에 의해 그래핀에 생성된 정공이 그래핀과 기판사이에 물을 침투시켰을 때 사라지는 현상을 관찰하였다. 그래핀을 물속에 침수시켰을때 샘플의 가장자리부터 물이 침투되는 것을 확인하였으며, 대략 70일에 걸쳐 그래핀 모든 영역에 물이 침투됨을 확인 할 수 있었다. 상기한 변화는 라만 분광법을 이용하여 분석하였으며, 전하밀도에 민감한 변화를 보이는 그래핀의 대표적인 라만 G와 2D 피크의 변화로 확인하였다. 열처리에 의해 생산된 정공은 그래핀 라만 피크의 파수 증가를 유발하였으며, 이후에 물이 침투되었을 경우 파수가 감소되어 열처리 전 그래핀과 유사한 전하 밀도를 갖게 되었다. 이 변화를 토대로 산화 실리콘 기판과 그래핀의 물리적 흡착이 그래핀 전하 밀도 변화를 유발했음을 알 수 있었다.

다. 2차원 층상 물질의 신물성 연구: 적층 방식에 따른 진동 특성 변이
육각격자 구조를 갖고 있는 그래핀은 적층 방식과 층수에 따라 다른 특성을 갖는 것은 알려져 있다. 삼중층 그래핀의 경우에 반금속 특성은 갖는 ABA (Bernal)와 반도체 특성을 갖는 ABC (rhombohedral)로 나뉜다. 본 연구에서는 저 진공 열처리와 요오드 흡착 실험을 통하여 이중층, 삼중층 그래핀의 상단, 하단 혹은 양단을 선택적으로 도핑을 시켰으며, 이때의 변화 과정을 라만 분광법으로 분석하여 적층 구조에 따른 라만 피크의 차이를 확인하였다. 역전 대칭성 (inversion symmetry)이 존재하는 이중층과 ABC 구조의 삼중층은 상기한 방법에 의한 전하 도핑으로 라만 G 피크가 갈라지는 것이 관측 되었다. 요오드 흡착 방식으로 전하 도핑이 되었을 경우에는 요오드에 노출시간이 짧으면 상단만 전하 도핑이 되었으며, 노출 시간이 길면 양단이 전하 도핑 되었다. 양단 도핑의 경우, 이중층 그래핀은 역전 대칭성이 회복되어 G 피크의 갈라짐이 사라지지만, 삼중층 그래핀의 경우에는 역전 대칭성이 회복됨에도 불구하고 상하단과 상이한 전하 밀도를 갖는 중간층에 의해 G 피크가 여전히 갈라져 있음을 관측하였다.