서울대 공대(학장 차국헌) 재료공학부 이관형 교수 연구팀이 고품질 그래핀 위에 산환 몰리브데늄(MoO3)을 합성함으로써 높은 전기적 특성 갖는 첨단 소재 개발에 성공했다.
15년 전 탄소 원자들이 정육각형으로 배열된 단일층 그래핀을 흑연에서 얻어내며, 2차원 형태의 새로운 물질을 합성하고 그 응용성을 연구하는 분야가 빠르게 확장하고 있다. 이후 그래핀은 꿈의 소재로 떠오르며 차세대 소자를 위한 소재로서 높은 가능성을 보여줬다.
하지만 그래핀은 기존의 실리콘과 달리 밴드갭이 없기 때문에 디지털 소자 응용에 제약이 있다. 비슷한 시기에 발견된 2차원 전이금속 다이칼코겐나이드(Transition Metal Dichalcogenide)는 1~2 eV의 밴드갭을 갖고 있으나, 광대역 밴드갭을 가지는 2차원 물질에 대한 요구에는 미치지 못하고 있다.
또 전이 금속 산화물도 산화도에 따라 다양한 물리적, 화학적 특성을 가지기 때문에 응용성이 높을 것으로 기대되고 있다. 그러나 2차원 형태의 산화물은 정육각형 구조의 그래핀과 달리 원자 수 층의 두께로 성장시키는 것이 거의 불가능한 것으로 알려졌다.
이관형 교수팀은 고품질 그래핀 위에서 반데르발스 에피성장법을 이용해 산환 몰리브데늄(MoO3)을 합성함으로써 이 문제를 해결했다. 연구팀은 사방정계 구조의 산화 몰리브데늄이 그래핀 위에서 반데르발스 힘으로 결합되는 방식으로 에피성장될 수 있음을 입증했다.
연구팀은 합성된 산화 몰리브데늄의 전기적, 기계적 특성을 원자힘 현미경(Atomic Force Microscopy)으로 분석한 결과, 그 우수성을 확인했다. 나노스케일에서의 마찰력 특성 분석을 통해 2차원 산화 몰리브데늄은 원자 2~3층(약 1.4~2.1나노미터)의 두께만 가져도 거의 벌크와 차이 없는 구조적 특성을 띤다는 것을 보여줬다.
또 산화 몰리브데늄은 그래핀 계열의 2차원 물질과 달리, 단일층 내에서 이중 구조의 MoO6의 안정된 옥타헤드론 구조를 갖기 때문에 기계적인 특성이 두께에 거의 무관하다. 전기적 특성 역시 원자 수 층 두께에서도 벌크 구조의 특성과 거의 동일해 높은 절연성 및 유전 상수를 수 나노미터 두께에서도 유지할 수 있다.
서울대 이관형 교수는 “이번 연구는 2차원 산화물의 약한 층간 커플링 현상을 발견한 데 의의가 있다”며, “산화 몰리브데늄은 밴드갭이 크기 때문에 차세대 절연 박막 및 자외선 광학소자로서 높은 가능성이 있을 것”이라고 설명했다.
본 연구는 국제 과학학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 2019년 11월 온라인 출판됐다.