'이중층 그래핀' 비국소 저항 원인 규명

왼쪽부터 이길호 포스텍 물리학과 교수와 정현우 포스텍 물리학과 통합과정생. 포스텍 제공

두 겹의 그래핀 층으로 구성된 차세대 소재인 '이중층 그래핀'은 전기가 흐르지 않아야 할 곳에서도 저항이 나타나는 ‘비국소 저항’이라는 독특한 현상이 있다. 비국소 저항은 이중층 그래핀을 이용해 소자를 설계하고 개발할 때 해결해야 할 문제다. 포스텍 연구팀은 제작 공정 과정 때문에 비국소 저항이 일어난다는 사실을 알아냈다.  

포스텍은 이길호 물리학과 교수, 정현우 통합과정생 연구팀이 와타나베 켄지·타니구치 타카시 일본 국립재료과학연구소(NIMS) 연구원과의 공동 연구를 통해 이중층 그래핀의 가장자리 상태와 전자의 이동 및 비국소 수송 메커니즘을 규명했다고 7일 밝혔다. 이번 연구는 나노 기술 분야 국제 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다.

연구팀은 이중층 그래핀의 비국소 저항 발생 원인을 밝히기 위해 이중 게이트 구조로 밴드 간극을 조절할 수 있는 그래핀 소자를 제작했다. 이중 게이트 구조란 상부와 하부의 2개 전극을 통해 전기장을 제어하고 전하 밀도와 밴드 간극을 독립적으로 조절할 수 있는 구조다.

이어 그래핀에서 자연적으로 형성된 가장자리와 ‘반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching) 공정’으로 가공된 깎아낸 가장자리를 비교해 전기적 특성을 분석했다. 반응성 이온 식각 공정은 플라즈마를 이용해 물질을 선택적으로 제거하는 미세 가공 기술로 나노소자 제작에서 널리 사용되고 있다. 

그 결과 자연적으로 형성된 가장자리에서는 비국소 저항값이 기존 예측값과 일치했다. 반면 식각 공정으로 가공된 가장자리에서는 저항값이 예측값보다 무려 100배 이상 증가했다. 제작 공정 과정에서 발생하는 추가적인 전도 경로 때문에 비국소 저항이 일어난다고 볼 수 있는 것이다. 

이번 연구는 이중층 그래핀을 활용한 차세대 정보 기술인 '밸리트로닉스' 상용화를 앞당기는 데 도움을 줄 전망이다. 밸리트로닉스는 전자의 계곡(Valley) 자유도를 활용해 정보를 처리하고 저장하는 신개념 전자기기 기술이다. 전자의 계곡 자유도란 전자가 물질 내부에서 계곡처럼 생긴 특정 에너지 상태를 따라 이동하며 전자의 흐름 방향이 나뉘는 현상이다. 

정 연구원은 “소자 제작 과정에서 필수적으로 사용되는 반응성 이온 식각 공정이 비국소 전송에 미치는 영향이 지금까지 충분히 고려되지 않았다”라면서 “이번 연구는 이러한 문제를 재조명하고 앞으로 밸리트로닉스 소자의 설계와 개발에 중요한 단서를 제공할 것”이라고 말했다. 

<참고자료>
-https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02660

[이채린 기자 rini113@donga.com]