세상에서 가장 얇은 유리 결정 만들었다

연세대 등 국제공동연구팀

왼쪽부터 이양진 연세대 박사, 최영우 UC버클리 박사, 김관표 연세대 교수. 연세대 제공

과학자들이 세상에서 가장 얇은 1차원 유리 결정을 제작하는 데 성공했다. 

연세대는 김관표 물리학과 교수가 이끈 국제 공동연구팀이 사면체 구조의 결합 방식을 제어한 1차원 게르마늄-황 구조체를 최초로 합성해 학계에 보고했다고 10일 밝혔다. 새로운 물질을 개발할 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다. 

산화규소는 규소-산소 사면체가 서로 연결된 구조를 갖고 있다. 사면체 사이 결합 방식에 따라 다양한 3차원 구조체를 형성할 수 있다. 결합이 규칙적이면 석영 결정이 형성되며 결합이 매우 불규칙한 비정질일 때는 우리가 흔히 볼 수 있는 유리가 된다. 사면체 결합 방식을 제어하고 물성 변화를 이해하면 신물질을 개발할 수 있다는 의미다. 

김관표 교수 연구팀은 알렉스 제틀 버클리캘리포니아대(UC버클리) 교수 연구팀과 공동연구를 통해 나노튜브 합성 템플릿을 이용해 사면체 결합 방식을 제어한 게르마늄 칼코겐화합물 반도체 1차원 체인 구조체를 합성했다. 게르마늄 칼코겐화합물도 산화규소와 비슷한 원리로 사면체 사이 결합이 형성되며 다양한 구조체를 형성할 수 있는 물질이다.

 국제 공동 연구팀은 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 및 연세대 기초과학연구원 나노의학연구단의 초고분해능 투과전자현미경을 이용해 새로운 물질 구조 분석에 성공했다. 연구팀은 원자 단위 이미징을 통해 1나노미터(nm, 10억분의 1미터) 미만의 두께를 갖는 세상에서 가장 얇은 1차원 게르마늄 칼코겐화합물 단일 체인 구조를 밝혀냈다.

또 마빈 코헨 UC버클리 물리학과 교수 연구팀은 제일원리 계산을 수행해 나노튜브의 직경에 따라 게르마늄 칼코겐화합물 사면체 결합 구조의 안정성이 달라진다는 사실을 규명했다. 국제 공동 연구팀은 이황화게르마늄(GeS2)과 이셀렌화게르마늄(GeSe2)의 조성비를 조절한 1차원 합금 체인 구조를 합성했고, 조성비 변화를 통한 밴드갭 조절이 가능함을 확인했다.

연세대 연구팀은 “이번 연구는 원자 수준에서 사면체 구조의 결합 방식을 제어할 수 있음을 실험적으로 보였을 뿐만 아니라, 나노튜브 합성 템플릿을 이용한 새로운 저차원 나노물질을 탐구할 수 있는 가능성을 열었다”고 설명했다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘ACS 나노’ 4월 26일자에 온라인 게재됐다. 

[김민수 기자 reborn@donga.com]