밴드갭을 주의하세요! -- 연구원들은 조정 가능한 전자적 특성을 가진 새로운 나노스케일 형태의 기본 반도체를 개발했습니다.

연구자들은 유연한 결합을 가진 반도체를 사용하면 나노 용기를 사용하여 구성을 변경하지 않고도 재료를 다양한 구조로 성형할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 이 발견은 단일 원소를 사용하여 다양한 맞춤형 전자 장치를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.

반도체는 거의 모든 전자 기기에 사용되기 때문에 우리 일상생활에 매우 중요합니다. 반도체의 주요 특징 중 하나는 전류의 흐름을 결정하는 밴드갭입니다. 밴드갭은 일반적으로 화학 결합을 끊거나 재료에 추가 원소를 도입하여 특정 용도에 맞게 설계됩니다. 그러나 이러한 공정은 복잡하고 에너지 집약적일 수 있습니다.

노팅엄 대학교, EPSRC SuperSTEM 시설, 독일 울름 대학교, 그리고 미국 BNNT LLC의 연구진은 나노튜브를 작은 시험관으로 사용하여 투과전자현미경을 이용하여 새로운 형태의 셀레늄을 이미징했습니다. 이 연구는 오늘 Advanced Materials 에 게재되었습니다.

이 실험 연구를 수행한 노팅엄 대학교 화학과 연구원 윌 컬 박사는 "셀레늄은 최초의 태양 전지에 사용되어 온 오랜 역사를 가진 오래된 반도체입니다. 이번 연구를 통해 나노 스케일로 제한되었을 때 나타날 수 있는 새로운 형태를 발견함으로써 셀레늄에 새로운 활력을 불어넣었습니다."라고 말했습니다.

셀레늄은 나노와이어 형태로 존재할 수 있으며, 그 구조와 결합은 직경에 따라 달라집니다. 특정 크기 이하에서는 셀레늄 원자 간의 결합이 변하여 결합각이 증가합니다. 이로 인해 초기 나선형 구조가 곧게 펴지고, 궁극적으로 원자적으로 얇은 와이어로 압축됩니다.

윌 컬 박사는 "나노튜브를 작은 시험관처럼 사용하여 투과 전자 현미경을 이용하여 새로운 형태의 셀레늄을 성공적으로 이미징했습니다. 이러한 접근 방식을 통해 셀레늄의 원자 구조와 나노와이어의 직경을 연결하는 새로운 상평형도를 만들 수 있었습니다."라고 말했습니다.

노팅엄 연구팀은 이전에 나노 시험관을 사용하여 개별 분자의 화학 반응을 영상화하고 반도체의 상전이를 관찰했다고 보고했습니다. 이러한 접근 방식은 원자 수준에서 화학 반응을 실시간으로 촬영할 수 있게 해줍니다.

윌 컬 박사는 "놀랍게도, 나노 시험관이 이미지화되면서 점점 얇아지는 것을 관찰했습니다! 바로 눈앞에서 나노튜브 내부의 셀레늄 나노와이어가 치약처럼 짜여 늘어나고 가늘어지는 것을 목격했습니다. 이 우연한 발견을 통해 한 종류의 나노와이어를 다른 종류의 나노와이어로 변환하는 메커니즘을 확립할 수 있었고, 이는 나노와이어의 전자적 특성에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 이는 원자 단위 수준의 정밀도로 가능합니다."라고 말했습니다.

밴드갭은 반도체의 중요한 특성으로, 태양 전지, 트랜지스터, 광촉매 등 다양한 소자에서의 활용에 큰 영향을 미칩니다. EPSRC SuperSTEM 소장인 퀜틴 라마세 교수는 "원자 분해능 주사 투과 전자 현미경과 전자 에너지 손실 분광법을 결합하여 개별 셀레늄 사슬의 밴드갭을 측정할 수 있었습니다. 이러한 측정을 통해 나노와이어의 직경과 해당 밴드갭 사이의 관계를 규명할 수 있었습니다."라고 말했습니다.

퀜틴 라마세 교수는 "전통적으로 탄소 나노튜브는 나노 시험관으로 사용되어 왔습니다. 하지만 탄소 나노튜브의 뛰어난 에너지 흡수 특성으로 인해 내부 물질의 전자 전이가 관찰되지 않을 수 있습니다. 이와는 대조적으로, 새로운 유형의 나노 시험관인 질화붕소 나노튜브는 투명하여 내부에 포함된 셀레늄 나노와이어의 밴드갭 전이를 관찰할 수 있습니다."라고 말했습니다.

유명한 무어의 법칙은 집적 회로의 트랜지스터 수가 약 2년마다 두 배로 증가한다는 것을 나타냅니다. 따라서 전자 부품은 더 작아져야 합니다. 노팅엄 대학교 화학과의 안드레이 클로비스토프 교수는 "유용한 전자적 특성을 유지하면서 나노와이어 크기의 궁극적인 한계를 연구했습니다. 셀레늄의 경우 양자 구속 현상이 원자 구조의 왜곡을 통해 효과적으로 균형을 이룰 수 있기 때문에 밴드갭을 유용한 범위 내에서 유지할 수 있습니다."라고 말했습니다.

연구진은 이러한 새로운 소재가 향후 전자 소자에 통합되기를 기대합니다. 나노와이어의 직경을 변경하여 셀레늄의 밴드갭을 정확하게 조절하면 단일 원소만으로 다양한 맞춤형 전자 소자를 설계할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250521124123.htm