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김기강 교수 연구팀, 단결정 원자톱니 금속 표면 형성의 이유 밝히다

- 2차원 소재 단결정 기판 플랫폼 개발

에너지과학과 김기강 교수 연구팀은 단결정 2차원 소재 대면적 성장 기술의 핵심인 단결정 성장 기판 플랫폼 개발과 그 메커니즘을 규명하였다.

2차원 소재는 원자층 두께로 세상에서 가장 얇은 물질이다. 2차원 소재는 구성된 원소에 따라 금속, 반도체, 부도체와 같이 다양한 특성을 구현할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 2차원 소재는 차세대 실리콘 기반 반도체 산업을 대체할 신소재로 주목받고 있으며, 마이크로 규모에서 그 유망함이 입증되어 왔다. 그러나 해당 소재가 산업에 사용되기 위해서는 단결정 2차원 소재의 대면적 박막 합성이 필수적이다. 최근 많은 단결정 단층 2차원 소재 박막이 단결정 기판 위에서 성장되었으나 단결정 기판 제작을 위해서는 장시간의 열처리 공정이 요구된다.

연구진은 단결정 기판 제작 방법 중 간단하고 효율적인 방법으로 다결정 촉매 금속 포일을 다결정 텅스텐 지지 기판 위에 녹인 후 냉각시키는 방법을 제안했다. 연구팀은 이 과정에서 촉매 금속의 결정 방향이 한 방향으로 정렬되어 단결정 금속 기판 표면이 형성되는 것을 발견하였으며 그 형성 원리를 규명하기 위해 추가 연구를 진행하였다.

▲ 용해-응고를 통한 단결정 원자톱니 표면 형성 모식도 및 실제 실험 결과

연구팀은 촉매 금속의 두께가 두꺼울수록 텅스텐 면의 높은 에너지를 갖는 입자에서 낮은 에너지 방향으로 확장되어 응고됨으로써 단결정 원자톱니 금속 표면이 형성되는 것을 분자동역학* 시뮬레이션 기반의 이론 계산 연구와 실험적으로 증명하였다.

※ 분자동역학: Newton의 운동방정식을 원자, 유사 분자 모델 수준에서 수치적으로 푸는 방법

▲ 분자동역학 시뮬레이션 기반 융해-응고 공정 후, 다결정 또는 단결정 원자톱니 금속 표면 형성 이론 계산 모델 및 그 결과

연구진은 나아가 단결정 원자톱니 구리 표면 위에 육방정계 질화붕소 박막을 성장시켰을 때 박막이 한 방향으로 정렬되어 단결정 박막이 성장되는 것을 확인하였으며 이렇게 성장한 박막의 우수한 산화 방지막 특성을 함께 보고하였다.

▲ 구리 두께에 따라 융해-응고 공정을 통해 형성된 원자톱니 구리 기판 표면의 전자후방산란회절 맵핑 이미지

김기강 교수는 “이번 융해-응고 공정과 그 기반 단결정 원자톱니 기판에 대한 메커니즘 규명은 단결정 박막 소재 성장을 위한 핵심 연구가 될 것”이라며 “2차원 소재 기반 차세대 전자소자 분야에 응용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

연구진은 다양한 단결정 2차원 소재의 대면적 성장과 그 기반 적층 구조에서 발현되는 새로운 현상 및 차세대 소자 응용을 기대하며, 후속 연구를 진행할 계획이다.

연구팀의 이번 연구결과는 한국연구재단과 기초과학기술연구원, 선진신진기술연구원, 중국국가자연과학기금위원회의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 7월 12일 게재되었다.

※ 논문명: Atomic sawtooth-like metal films for vdW-layered single-crystal growth

※ 저자명: 김기강, 이영희, 김수민, Feng Ding(교신저자), 고하영, 최수호, 박윤재(제1저자), 이승진, 오창석, 김성엽(공동저자)

※ 논문링크: https://www.nature.com/articles/s41467-024-50184-5