연세대 김관표 교수팀, 탄소나노튜브 내의 새로운 1차원 자성체 합성 성공

나노튜브를 활용해 1차원 나노 자성체 구조 정밀 제어법 제시
재료과학 분야 세계적 학술지‘Advanced Materials’게재

(왼쪽부터) 연세대 이양진 박사, UC버클리 최영우 박사, 연세대 김관표 교수

연세대학교 물리학과 김관표 교수가 이끈 국제 공동 연구팀이 새로운 구조의 1차원 자성 전이금속 삼할로겐 화합물 물질을 최초로 합성에 성공했다고 11일 밝혔다.

연구 결과는 재료과학 분야 세계적 학술지인 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF 29.4)'에 지난달 28일 온라인 게재됐다.

전이금속 삼할로겐 화합물(Transition Metal Tri-halide)은 MX3(M: 금속 Cr, V; X: 할로겐 Cl, Br, I)구조의 팔면체가 서로 모서리(Edge) 결합을 통해 벌집 구조 형태를 이루는 2차원 자성 물질이다. 원자 한 층 두께의 매우 얇은 두께에서도 자성을 띠어 새로운 자성 현상 연구에 큰 주목을 받고 있으나, 빛, 산소, 수분에 취약해 실험적으로 다형체(Polymorph) 탐구 및 구조 제어 연구에는 어려움이 있었다.

이에 연세대 김관표 교수 연구팀은 버클리 캘리포니아 주립대 알렉스 제틀(Alex Zettl) 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 나노튜브 합성 템플릿을 이용해 전이금속 삼할로겐 화합물의 팔면체 결합 방식을 제어한 1차원 자성 구조체를 합성했다. 또한 나노튜브 내부에 합성된 1차원 전이금속 삼할로겐 화합물은 외부 환경 노출에도 매우 안정함을 확인했다.

또한 국제 공동 연구팀은 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 및 연세대 기초과학연구원 나노의학연구단의 초고분해능 투과전자현미경을 이용해 새로운 물질 구조 분석에 성공했다. 연구팀은 원자 단위 이미징을 통해 1차원 전이금속 삼할로겐 화합물의 단위체인 팔면체가 면(Face)을 공유해 1차원 체인을 형성함을 확인했다. 이와 함께, 다른 종류의 금속과 할로겐 원소를 사용해 동일한 구조의 1차원 체인을 합성할 수 있음을 실험적으로 보이고, 이 구조가 매우 안정된 구조임을 입증했다.

이와 더불어 버클리 캘리포니아 주립대 마빈 코헨(Marvin Cohen) 교수 연구팀은 제일원리 계산을 수행해 나노튜브에서 내부 물질로의 전하이동(Charge Transfer)이 1차원 구조체를 안정화하며, 강자성(Ferromagnetic) 특성이 있음을 확인했다.

연세대 김관표 교수 연구팀은 "본 연구는 나노튜브 합성 템플릿을 이용해 외부 환경에 매우 민감한 전이금속 할로겐화합물을 원자 수준에서 제어할 수 있음을 실험적으로 보인 것"이라며 "새로운 특성을 갖는 나노물질에 대한 탐구 가능성이 기대된다"고 설명했다.

한편, 본 연구는 연세대 물리학과 이양진 박사와 UC버클리 물리학과 박사후연구원 최영우 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단의 박사후 국외연수, 세종과학펠로우십, 중견연구자지원사업, 선도연구지원사업(반데르발스물질연구센터), 기초과학연구원 나노의학연구단 및 연세시그니처 연구클러스터사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

정래연기자 fodus0202@dt.co.kr