성균관대 김기강 교수 연구팀, 단결정 원자톱니 금속 표면 형성의 이유 밝혀

성균관대학교는 에너지과학과 김기강 교수 연구팀이 단결정 2차원 소재 대면적 성장 기술의 핵심인 단결정 성장 기판 플랫폼 개발과 그 메커니즘을 규명했다고 19일 밝혔다.

2차원 소재는 원자층 두께로 세상에서 가장 얇은 물질이다. 구성된 원소에 따라 금속, 반도체, 부도체 등 여러 특성을 구현할 수 있다. 차세대 실리콘 기반 반도체 산업을 대체할 신소재로 주목받으며 마이크로 규모에서 그 유망함이 입증돼 왔다.

그러나 2차원 소재가 산업에 사용되기 위해선 단결정 2차원 소재의 대면적 박막 합성이 필수적이다. 최근 많은 단결정 단층 2차원 소재 박막이 단결정 기판 위에서 성장됐으나 단결정 기판 제작을 위해서는 오랜 시간의 열처리 공정이 요구된다.

연구진은 간단하고 효율적인 단결정 기판 제작 방법으로 다결정 촉매 금속 포일을 다결정 텅스텐 지지 기판 위에 녹인 후 냉각하는 방법을 제안했다. 연구팀은 이 과정에서 촉매 금속의 결정 방향이 한 방향으로 정렬돼 단결정 금속 기판 표면이 형성되는 것을 발견했다.

연구팀은 추가 연구를 통해 촉매 금속의 두께가 두꺼울수록 텅스텐 면의 높은 에너지를 갖는 입자에서 낮은 에너지 방향으로 확장 응고됨으로써 단결정 원자톱니 금속 표면이 형성되는 것을 실험적으로 증명했다.

연구진은 나아가 단결정 원자톱니 구리 표면 위에 육방정계 질화붕소 박막을 성장시켰을 때 박막이 한 방향으로 정렬되면서 단결정 박막이 성장되는 것을 확인했다. 이렇게 성장한 박막은 우수한 산화 방지막 특성을 보였다.

김 교수는 "이번 융해-응고 공정과 그 기반의 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 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 12일자에 실렸다. 연구는 한국연구재단과 기초과학기술연구원, 선진신진기술연구원, 중국국가자연과학기금위원회의 지원을 받아 이뤄졌다.