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나노그래핀의 모양과 전자구조, 기능

전문가 제언: 그래핀(graphene)의 전자구조에 대한 고체물리와 화학적인 견해로는 탄소 1 원자의 두께가 2차원인 벌의 단일 격자구조를 가진다. 그래핀은 그 특이한 전자구조와 성질에서 큰 주목을 받아 2012년 노벨 물리학상을 수상하기에 이르렀다. 일반적으로 그래핀 전자는 실험적으로 운동량에 비례하는 운동에너지 E=±vFp로서 기술되어 정지질량을 갖고 있지 않다. 여기서, vF은 페르미(Fermi)속도라고 불리며 전자의 속도를 나타낸다.

이 값은 대략 광속 1/300이 되고 그래핀 중의 전자는 극히 고속으로서 단 격자에서 바삐 움직이고 있다. 그 결과, 전자구조는 제로 갭 반도체로 되고, 그래핀은 높은 전도성을 가진다. 흥미 있는 점으로 그래핀 중 전자의 이 거동은 소립자의 하나인 뉴트리노와 아주 같고, 정지질량이 없는 페르미 입자의 상대론적 파동방정식(Wely 방정식)을 만족하고 있다.

이와 같은 무한 크기 그래핀을 잘게 잘라서 생긴 끝자리(단)을 수소로서 맨 끝자리로 해간다. 그러면, 끝자리에 있는 반무한의 그래핀, 나노 크기의 나노그래핀을 거쳐 안드라센 등의 축합 다환계 방향족탄화수소 분자로 되고, 최종으로는 벤젠이 된다. 따라서 그래핀은 축합 다환계 방향족탄화수소분자의 무한 크기의 극한 구조를 가진 물질이라고 생각할 수 있다. 여기서 방향족성을 논의하는 Clar의 방향족 sextet(육전자계)칙을 이용하여 전자구조를 이해할 수 있다.

Clar칙에 의하면 주위와 1중 결합으로서 결합하는 공명상태에 있는 벤젠고리(sextet)를 그래핀 또는 분자의 6원 고리구조에 타일링(붙임)할 때에 보다 많은 sextet를 가진 구조가 보다 에너지적으로 안정한 구조이다. 그래핀의 구조를 Clar칙으로서 그리면, 독립된 6원고리가 3가지가 있기 때문에 그 구조는 3중으로 축퇴(degenerate)한 표현을 사용하여 나타낼 수 있다. 따라서 그래핀에서는 그와 같은 3가지 상태의 사이를 전자는 돌아다니고, 전기 흐름이 용이한 상태로 형성되고 있다. Clar표현으로서 그려진 그래핀의 전자구조는 물리로서 표현한 정지질량 제로의 상대론적 페르미 입자상과 같은 등가이다.

저자: Toshiaki ENOKI
자료유형: 연구단신