서울대학교

High-resolution tunnelling spectroscopy of a graphene quartet

□ 연구진
제1저자: 송영재 (36, 미국표준기술연구원 박사후연구원, 서울대 박사)
책임 저자: Josph Stroscio (54, 미국표준기술연구원) 석좌연구원
참여연구원: 국 양 (57, 서울대 물리-천문학부 교수)

지원 기관 : 한국연구재단 (교육과학기술부) 도약연구 사업 및 국제공동연구

서울대 물리-천문학부 국 양 교수, 미국 표준기술연구원 송영재 박사(박사후 연구원, 서울대학교 박사), 미국 표준기술연구원 Joseph Stroscio 박사는 흑연의 단원자 층인 그래핀의 전자구조의 다체 효과를 극초저온 주사형 터널링현미경을 이용하여 규명하였다.">

이 결과는 영국의 저명 저널인 ‘네이처’에 논문으로 2010년 9월 10일자(한국시간) 출간될 예정이다.

서울대학교 자연과학대학 물리-천문학부의 국 양 교수는 미국 표준기술연구원과 공동 연구에서 차세대 초고속 전자 소자 후보 물질인 탄소 단원자 층인 그래핀 연구를 수행하였다. 실험 연구는 미국 표준기술연구원에 최근 제작된 절대 영도보다 0.01 도 높은 극초저온 주사형터널링현미경을 이용하여 수행되었다. 그래핀의 전자 구조를 극초저온, 초고자기장에서 측정하는 경우 한 준위에 축퇴된 전자 준위가 넷으로 갈라지는 현상을 최초로 관측하였고, 이는 이론에서 기 예측되었다.

발견 내용의 상세 설명
탄소로 이루어진 흑연은 층상 구조로 한 층씩 벗겨낼 수 있다. 이 흑연 단층만을 벗겨 낸 단 원자층 흑연을 과학자들은 2004년 처음으로 분리해 낼 수 있었고, 이를 그래핀이라고 부른다. 이 그래핀은 반금속 (금속보다는 전도도가 작으나 반도체와 비슷한 물질) 성질을 가지나며, 아주 특이한 구조적, 전기적 성질을 가지고 있어 지난 6년 동안 전 세계적으로 활발히 연구가 진행되어 왔다. 이 물질은 초고속 소자, 센서 및 투명 전극 등의 응용이 제시되어 현재 우리나라에서도 여러 그룹에서 연구하고 있다.

이론 물리학자들은 그래핀의 전자 구조는 아주 특이한 현상을 가지는 것을 예측하였다. 그래핀 내에서 전자는 특이하게도 실리콘에서와 달리 질량이 없고, 이동도가 실리콘 내의 전자 이동도 보다 100배 정도 크다. 또한 실리콘 내의 전자는 속도를 늘리기 위하여서는 그 에너지를 늘려야 하나, 이 경우 에너지와 상관없이 속도가 일정하다. 전자들은 물질 내에서 상대론적인 운동을 하고, 한 에너지 준위에 스핀에 의한 축퇴뿐만 아니라 가상 스핀에 의한 축퇴 현상까지 있어, 4개의 축퇴준위가 있음을 예측하였다. 이러한 그래핀의 전자 구조를 이해하기 위하여 과학자들은 고자기장, 극초저온에서 측정의 필요성을 느끼게 되었다.

미국표준기술연구원은 세계에서 가장 온도가 낮은 10mK (절대온도 0.01도), 15 T (지구 자기장의 300,000 배)에서 작동하는 초고진공주사형터널링현미경을 2009 년 초 설계 제작 후 완성하였다. 국양 교수는 2008-2009년 연구년 동안 미국표준기술연구원에 장기 방문 공동연구를 하며, 국교수의 연구실에서 박사학위를 받은 송영재 박사와 함께, 본 실험을 수행하였다. 극초저온에서는 물질 내의 전자 구조를 고해상도로 측정할 수 있었고, 고 자기장 하에서 그래핀의 에너지 준위가 다체계 현상에 의해 형성된 네 준위의 전자 상태로 분리되는 것을 발견하였다. 이는 전자의 스핀과 그래핀 특유의 가상 스핀에 의한 것임을 발견하였다.

본 연구의 결과 그래핀의 전자 구조가 확실히 이해되고, 그래핀을 이용한, 열 손실이 적은 초소형 초고속 소자의 제작이 가능하다는 점을 물리적으로 증명하였다.

개발의 의의
1947년 게르마늄을 이용한 트랜지스터가 발명된 후(노벨상 수상), 실리콘 소자의 집적화(노벨상 수상)로, 전자소자의 고성능화를 이루고 전자시대를 가져왔다. 실리콘 소자는 당분간 현재의 전자산업의 주 물질로 사용될 것이 예측되나, 그래핀은 초고속 소자, 다기능 소자, 센서, 투명 전극으로 응용될 것이 예측된다. 본 발견으로 그래핀을 설명하는 그래핀의 전자가 질량이 없는 상대론적인 운동을 하며, 에너지에 무관하게 속력이 같음을 보여주었다. 이러한 기존 이론이 정확함을 증명하였고, 소자 설계 등에 응용될 것이다.

연구 착수 및 진행 경위
서울대 국양 교수는 25년간 나노 물리학의 제반 분야를 연구하였고, 그 동안 Nature 등에 150편 이상의 논문을 발표하였다. 2008년부터 그래핀 연구에 착수하여, 세계 최고 성능을 가진 초고진공, 초저온 고자기장 주사형터널링현미경을 보유한 미국 표준기술연구원 장기 방문 연구를 하게 되었다. 국교수의 박사학위 제자가 박사후연구원이 있어, 공동연구가 용이하였고, 본 연구를 수행할 수 있었다. 최근에는 교육과학기술부 국제공동연구 사업이 global research lab 사업에 선정되어, 기본 실험을 서울대학교 국양교수 실험실에서 수행하고, 극초저온, 고자기장이 필요한 경우 공동연구를 심화시키기로 Stroscio 박사와 합의 하였다.

향후 진행 예정 연구
본 연구는, 그래핀에서의 양자효과, 불순물에 의한 전도 현상 변화, 소자로 제작된 경우 전자 산란 현상 등의 연구를 국교수의 연구실과 미국표준기술연구원에서 연구하여 그래핀의 전자 구조를 더욱 심화 연구하고, 소자 개발에 도움을 주고자 한다.