한국연구재단은 연세대 이연진 교수, 한국외대 김태경 교수 공동 연구팀이 흑린 응용의 가장 큰 걸림돌인 흑린의 성능저하 원리를 규명하고, 근본적 해결책을 제시했다고 밝혔습니다.
흑린은 독특한 원자 배열을 가진 인(P) 원소만으로 이루어진 물질인데요. 그래핀처럼 2차원 박리가 가능하며, 전기적‧광학적 성질이 매우 우수합니다. 또 전류 제어가 어려운 그래핀과 달리 흑린은 밴드갭을 조절해 전류 제어가 가능하므로 전자소자 제작이 용이하다는 장점도 있죠.
하지만 공기 중 산소와 수분에 취약한 불안정성으로 인해 물성 연구와 응용에 어려움을 겪고 있었어요. 연구팀은 흑린의 성능 저하를 결정하는 핵심 물리량이 전자 밀도임을 규명하고, 이를 제어해 성능 저하를 방지할 수 있음을 밝혀냈죠.
흑린은 두께에 따라 밴드갭이 변화하는데, 연구팀은 이 독특한 물리적 성질이 성능 저하와 깊은 연관성이 있을 것으로 예상했습니다. 따라서 공기 중 산소, 수분과 반응해 흑린의 표면 성질이 변화함을 원자간력 현미경으로 정밀하게 측정했는데요.
그 결과, 일반적인 예상과는 반대로 여덟 층 이상의 두꺼운 흑린에서 두 개 층의 얇은 흑린보다 빠른 성능 저하가 발생했어요. 연구팀은 이를 설명할 수 있는 이론적 모델을 개발했습니다. 이 연구 모델에 따르면 흑린이 두꺼울수록 밴드갭이 작아지고 전자 밀도는 커지며, 산소‧수분과의 화학 반응이 가속했습니다.
이연진 연세대 교수는 "향후 흑린의 표면 전자밀도를 제어하여 전기적 특성뿐 아니라 안정성 또한 향상시킨 전자소자를 제작할 계획"이라며 후속 연구 계획을 전했습니다. 이번 연구는 <Angewandte Chemie> 내부 표지 논문으로 선정됐습니다.
