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그래핀 나노구조의 전자특성

전문가 제언: ○ 탄소가 육각형의 벌집 모양으로 서로 이어진 이차원 구조의 그래핀은 최근 가장 활발히 연구되는 물질중의 하나이다. 탄소의 다른 동소체인 풀러린과 탄소나노튜브의 연구가 진행되면서 그래핀의 존재가 알려졌으나 단일 층으로 분리하는 데 어려움이 있었다. 2004년 Geim과 Novoselov에 의해 접착테이프를 사용하여 쉽게 제작하는 방법이 발견된 이래 폭발적인 연구가 수행되고 있다.

○ 그래핀은 특이한 기계적, 전자적 특성을 가지고 있어 기초과학뿐만 아니라 응용분야에서도 관심이 크다. 이에 따라 그래핀의 연구는 이미 물리학의 영역을 넘어 재료과학, 화학 전자공학 등에서도 활발히 연구되고 있다. 여기서는 그래핀 나노구조의 전자특성과 그래핀 협착 통로, 양자점, 이중 양자점을 중심으로 현재의 상황을 소개한다.

○ 그래핀의 전자상태는 일반 반도체 이차원 전자계와 다르다. 마치 질량이 없는 입자와 같이 행동하여 상대론적인 Dirac 방정식을 사용하여 기술한다. 비교적 낮은 자기장에서 반정수(half integer) 양자 Hall 효과가 나타나며 에너지 밴드 갭이 없다. 이런 성질들이 기초물리학에서 주로 다루는 과제이다. 국내 과학계에서도 활발한 연구가 수행되고 있으며 국제적인 수준의 연구결과가 발표되고 있다.

○ 양자정보처리에 그래핀을 응용하기 위해서는 소자로 개발하는 것이 필요하다. 그러나 그래핀은 일반 반도체와 달리 에너지 밴드 갭이 없으므로 협착 통로, 양자점, 이중 양자점 등에 대한 연구와 이해가 필요하다. 소자제작 과정에서 생기는 나노리본의 양쪽 가장자리 상태가 중요한 역할을 한다.

○ 국내 연구는 전자공학 응용분야에서 특히 강점을 보인다. 세계 최초라는 수식어가 붙은 연구결과가 심심치 않게 매스컴에 발표된다. 그래도 그래핀 연구는 이제 시작 단계이므로 기초연구에 더 주력하는 것이 바람직하다. 한 때 큰 기대를 주었던 탄소나노튜브의 경험도 참고할 필요가 있다. 미래를 대비하는 비전을 갖고 그래핀 연구를 추진해야한다.

저자: Molitor F et al
자료유형: 학술정보