국내 연구진이 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀에 버금갈 뿐만 아니라, 오히려 그 단점을 극복할 만한 물성을 새로운 2차원 반도체 물질 포스포린에서 찾아냈다. 기초과학연구원 원자제어저차원전자계연구단의 김근수 교수 연구팀은 밴드갭이 없는 그래핀과 달리 포스포린의 띠 간격을 폭넓게 변환(밴드갭 값 0~0.6)할 수 있는 방법을 찾아내고 전류의 흐름을 자유자재로 제어하는데 성공했다고 밝혔다.
[그림 1] 2차원 반도체 포스포린과 그 표면에 흡착된 이종원자 칼륨의 모식도 고온으로 달궈진 금속원자 칼륨을 포스포린의 표면에 흡착시킬 때 칼륨 원자의 밀도를 원자 단위로 정밀하게 조절하여 포스포린을 반도체 상태에서 도체상태에 이르도록 밴드갭을 제어하는데 성공했다. 이 같은 전기전도성 변화는 칼륨 원자가 포스포린 표면에 전자를 공급하는 한편 전기장을 형성하여 포스포린의 전자배열에 영향을 미쳤기 때문인 것으로 밝혀졌다.
그래핀은 철보다 강하고, 구리보다 전류가 잘 흐르는 뛰어난 물성 때문에 꿈의 신소재로 각광받아 왔지만, 밴드갭이 없어 전기적 신호에 의해 전류의 흐름을 통제하기 어려워 차세대 반도체 소자로 활용하는데 치명적인 결함이 되고 있다. 연구진은 포스포린의 표면에 칼륨원자를 흡착시켜 수직방향으로 전기장을 만들고, 그 결과 포스포린의 전자배치에 영향을 미쳐 밴드갭에 폭넓은 변화(밴드갭값 0~0.6)를 주는데 성공했다. 뿐만 아니라 포스포린의 밴드갭이 0 이 될 때는 그래핀처럼 준 도체적상태가 되면서 전도성이 그래핀과 비슷한 수준에 이를 수 있음을 밝혔다. 이로써 원자 한 겹 두께의 고성능, 초소형반도체 소자 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 이 같은 원리는 일반적인 2차원 반도체 물질에 응용할 수 있다. 그러나 실제 포스포린 트랜지스터를 제작하고, 공기 중 포스포린의 산화를 방지하는 기술개발 등 추가 연구를 통해 실용화가 가능할 것으로 예상된다. 이번 연구는 미래창조과학부 산하 기초과학연구원 원자제어저차원전자계연구단의 김근수 교수 연구팀이 연세대 최형준, 이연진 교수 연구팀과 공동으로 수행했다. 김근수 교수는 “그래핀 상용화의 고질적 문제점인 밴드갭을 해결하고, 그래핀의 장점만을 취한 것으로 2차원 반도체 물질연구의 중심이 그래핀에서 포스포린으로 이동하는 전환점이 될 것”이라고 설명했다.
[그림 2] 칼륨 원자의 밀도에 따른 포스포린의 밴드갭을 연속적으로 측정한 결과 밀도가 높아질수록 밴드갭이 점점 줄어들다가 밀도 0.5 근처에서 밴드갭이 0이 되고 이후 다시 밀도가 높아질수록 역전된 밴드갭의 값이 점점 커지는 것을 볼 수 있다.
포스포린의 구조적 특징에 주목 표면에 알칼리 금속원자 흡착, 전계효과 원자 한 겹 두께의 2차원 물질은 독특한 물성과 다양한 소자로의 응용가능성으로 인해 지난 10년간 응집물질물리학 및 재료과학 분야의 폭넓은 관심을 받아왔다. 특히, 2차원 물질을 기반으로 한 초소형 반도체 소자 실현을 위한 관건 가운데 하나가 2차원 물질의 고유한 전자물성을 자유자제로 제어하는 기술이다.밴드갭은 물질 고유의 물리량으로 0 에 가까우면 전류가 쉽게 흘러 도체가 되며, 값이 클수록 전류가 쉽게 흐르지 않아 절연체가 된다. 따라서 만약 밴드갭의 크기를 자유자재로 조절할 수 있다면 물질의 전기적 성질을 도체에서 부도체에 이르기까지 조작하는 것이 가능하다. 일반적으로 물질의 밴드갭은 거의 변하지 않으나 두 겹 층 그래핀의 경우, 일정 정도 조작이 가능하다고 알려져 있다. 물론, 이 경우에도 밴드갭 조절범위가 좁아 상용화에 어려움이 있었다.
1. 포스포린(Phosphorene) 인(P) 원자로 된 흑린(black phosphorus)의 표면 몇 개 층을 떼어낸 2차원 물질로 머리카락 굵기의 10만분의 1수준인 0.5㎚ 두께의 박막구조를 갖는다. 탄소(C) 원자로 이루어진 흑연의 한 층을 얇게 떼어낸 그래핀과 유사한 육각벌집 형태의 원자배열을 가지나 변형이 어려운 그래핀과 달리 한 방향으로 규칙적으로 주름이 잡혀 있어 외부 압력이나 전기장에 의해 물성제어가 쉬운 것이 장점이다. 2. 밴드갭(Bandgap) 물질의 고유한 물리량으로서 전자가 채워진 부분과 채워지지 않은 부분 사이에 전자가 존재할 수 없는 에너지간극에 해당한다. 전자의 이동이 전류가 되는데 이러한 전자의 이동을 가로막는 장벽의 높이에 비유할 수 있다. 밴드갭이 없다는 것, 즉 밴드갭 값이 0에 가까울수록 전류가 쉽게 흐르게 된다. 반도체 소자의 소재로 쓰이기위해서는 일정 수준의 밴드 갭이 존재해야 한다. 그래핀은 이 같은 에너지 간극, 즉 밴드갭이 없어 전류는 잘 흐르지만 필요할 때 전류를 완전히 차단하기 어려워 소자로 상용화하는 데 치명적이었다. 3. 슈타르크 효과(Stark efect) 주변의 이온이나 전자 등이 만드는 강한 전기장의 영향으로 물질의 전자에너지 준위가 변하는 현상. 빛을 내는 물질에 전기장을 걸면 빛의 방출 스펙트럼이 영향을 받아 여러 개로 갈라지는 현상을 예로 들 수 있다. 4. 디랙 준 도체 상태(Dir ac semimetal state) 전자가 유효질량을 갖는 통상적인 슈뢰딩거 입자와 달리, 유효질량이 없는 상대론적인 입자의 특성을 띠는 특이상태. 보통의 반도체 물질에 비해 그래핀이 빠른 전하 이동도를 갖는 것도 바로 이처럼 유효질량이 없는 상태처럼 행동하는 디랙 준 도체 상태이기 때문이다. 이번 연구에서는 포스포린에서도 밴드갭이 0이 될 때 디랙 준 도체 상태가 되면서 그래핀과 유사하게 우수한 q전도성을 갖는 것으로 나타났다. 5. 전계효과(Field Effect) 외부전기장에 의해 물체의 특성이 달라지는 효과
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