디자이너 하이브리드 2D 소재를 위한 기초 마련

미래 기술에 가장 유망한 소재 중 일부는 원자 한 개 두께의 층으로 이루어져 있습니다. 예를 들어, 탄소 원자들이 육각형 격자로 배열된 그래핀은 뛰어난 강도와 전도성으로 주목받고 있습니다. 이러한 소재는 수백 가지가 존재하지만, 이들을 완전히 새로운 소재로 융합하는 것은 여전히 ​​어려운 과제입니다. 대부분의 연구는 이러한 원자 두께의 얇은 시트를 카드 한 벌처럼 쌓아 올리는 데 그치지만, 일반적으로 층 간의 상호작용은 미미합니다.

라이스 대학교 재료 과학자들이 이끄는 국제 연구팀은 근본적으로 다른 두 가지 2D 재료(그래핀과 실리카 유리)를 화학적으로 통합하여 글라펜이라는 단일의 안정적인 화합물로 만들어 진정한 2D 하이브리드를 만드는 데 성공했다고 Advanced Materials에 발표된 연구에 따르면 밝혔습니다.

"이 층들은 단순히 서로 위에 놓여 있는 것이 아니라 전자들이 움직이면서 새로운 상호작용과 진동 상태를 형성하여 그 자체로는 두 물질이 갖지 못한 특성을 발생시킵니다."라고 라이스 대학의 박사과정생이자 이 연구의 주저자인 사스비크 아이옌가르가 말했습니다.

더 중요한 점은 이 방법이 광범위한 2D 소재에 적용될 수 있어 차세대 전자, 광자공학 및 양자 소자를 위한 설계 가능한 2D 하이브리드를 개발할 수 있다는 점이라고 Iyengar는 설명했습니다.

아이옌거는 "이 기술은 금속과 절연체, 자석과 반도체 등 완전히 새로운 종류의 2D 재료를 결합하여 처음부터 맞춤형 소재를 만드는 새로운 길을 열어줍니다."라고 말했습니다.

연구팀은 실리콘과 탄소를 모두 포함하는 액상 화학 전구체를 사용하여 글라펜을 성장시키는 2단계 단일 반응법을 개발했습니다. 가열 과정에서 산소 농도를 조절하여 먼저 그래핀을 성장시킨 후, 실리카 층 형성에 유리하도록 조건을 변경했습니다. 이를 위해 인도 바나라스 힌두 대학교의 방문 교수인 안찰 스리바스타바와 수개월에 걸쳐 공동으로 개발한 맞춤형 고온 저압 장치가 필요했습니다.

"그 구성 덕분에 합성이 가능해졌습니다."라고 아이옌거는 말했다. "결과적으로 탄생한 소재는 새로운 전자적, 구조적 특성을 지닌 진정한 하이브리드입니다."

이 물질이 합성되자 라이스 연구팀은 서식스 대학교의 마노즈 트리파티와 앨런 달튼과 함께 그 구조를 확인하는 작업을 진행했습니다. 글라펜이 새로운 물질이라는 첫 번째 단서 중 하나는 이상 현상에서 나왔습니다. 연구팀은 산란된 레이저 광선의 미묘한 변화를 측정하여 원자의 진동 방식을 감지하는 기술인 라만 분광법을 사용하여 이 물질을 분석했을 때, 그래핀이나 실리카와는 일치하지 않는 신호를 발견했습니다. 이러한 예상치 못한 진동 특성은 층들 간의 더 깊은 상호작용을 암시했습니다.

대부분의 2D 재료 적층에서 층들은 냉장고 문에 자석이 붙은 것처럼 약하게 서로 붙어 있습니다. 그러나 글라펜에서는 층들이 소위 약한 반데르발스 결합보다 훨씬 더 강한 결합을 통해 서로 결합되어 전자가 층들 사이를 흐르게 하고 완전히 새로운 거동을 만들어냅니다.

더 자세히 조사하기 위해 아이옌가는 브라질의 분광학 전문가인 마르코스 피멘타에게 자문을 구했습니다. 결국 이 이상 현상은 인공적인 것으로 밝혀졌습니다. 아이옌가는 재현 가능한 결과라 하더라도 신중하게 다루어야 한다는 중요한 교훈을 얻었다고 말했습니다.

결합된 층이 원자 수준에서 어떻게 작용하는지 더 잘 이해하기 위해 연구팀은 펜실베이니아 주립대학교의 빈센트 뫼니에와 협력하여 양자 시뮬레이션을 통해 실험 결과를 검증했습니다. 이를 통해 그래핀과 실리카 층이 독특한 방식으로 상호작용하고 결합하며, 계면에서 전자를 부분적으로 공유한다는 것을 확인했습니다. 이러한 하이브리드 결합은 재료의 구조와 거동을 변화시켜 금속과 절연체를 새로운 유형의 반도체로 변화시킵니다.

"이건 하나의 연구실에서만 할 수 있는 일이 아니었습니다."라고 최근 일본학술진흥회(JSPS) 펠로우로 1년간 일본에서 활동했으며, 미국, 인도, 호주, 일본 정부가 신진 과학자들을 지원하기 위해 시작한 쿼드 펠로우십(Quad Fellowship)의 첫 수혜자이기도 한 아이옌거는 말했다. "이 연구는 자연이 스스로 만들어내지 못하는 물질을 창조하고 이해하기 위한 대륙을 넘나드는 노력이었습니다."

라이스 대학교의 벤자민 M. 및 메리 그린우드 앤더슨 공학 교수이자 재료 과학 및 나노 공학 교수인 풀리켈 아자얀은 글라펜의 발견 자체가 중요하지만, 이 연구를 정말 흥미롭게 만드는 것은 근본적으로 다른 2D 재료를 화학적으로 결합하는 새로운 플랫폼인 더 광범위한 방법을 도입했다는 점이라고 말했습니다.

이 연구는 아이옌가가 자신의 조언자로부터 물려받았다고 말하는 지침 원칙을 반영하고 있습니다.

"박사 과정을 시작한 이후 지도교수님은 다른 사람들이 주저하는 아이디어들을 섞어 보라고 격려해 주셨습니다."라고 그는 뫼니에와 함께 이 연구의 교신저자인 아자얀의 말을 인용하며 말했다. "아자얀 교수는 진정한 혁신은 주저함의 교차점에서 일어난다고 말씀하셨는데, 이 프로젝트가 그 증거입니다."

본 연구는 쿼드 펠로우십 프로그램, 공군 과학연구국(FA9550-23-1-0447)의 지원을 받는 라이스-펜스테이트 협력 프로젝트, 미국 국립과학재단 대학원 연구 펠로우십 프로그램(2236422), 서식스 전략 개발 기금, 탄소 나노물질 과학 연구소(Instituto de Ciência e Tecnologia de Nanomateriais de Carbono), 미나스제라이스주 암파루 연구재단(Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais), 그리고 브라질 과학기술개발위원회(Brazilian National Council for Scientific and Technological Development)의 지원을 받았습니다. 본 자료의 내용은 전적으로 저자의 책임이며, 연구 지원 기관 및 기관의 공식적인 견해를 대변하는 것은 아닙니다.

아이옌가, 스리바스타바, 뮤니에, 아자얀은 지적 재산권 추구에 관심을 표명했으며, 이 기술에 대한 미국 가출원이 제출되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250528174911.htm