일정한 규칙의 그래핀 가장자리 형성 연구

조회 : 2001, 등록일 : 2012/02/23 21:08

인가된 스트레스에 의한 크랙(crack)에 대한 이해는 많은 고체 물질에서 기계적 거동을 예측하기 위한 필수적 요소라 할 수 있다. 탄소 단원자 두께로 이루어진 그래핀은 합성시부터 전사 과정, 그리고 소자 구동 과정에 이르기까지, 다양한 크랙 또는 가장자리를 포함하고 있다.

미국 Rice University 및 University of California at Berkeley의 공동 연구진은 전기적, 기계적, 그리고 열적 응용 측면에서 새로운 응용 산업을 일으킬 수 있는 그래핀 관련 연구 결과를 발표했다. 연구 결과는 2011년 12월12일자 Nano Letters지에 “Ripping Graphene: Preferred Directions”으로 게재됐다.

그래핀 가장자리는 물질의 전기적 특성을 결정짓는 요소이기 때문에, 이를 제어할 수 있는 방법이 필수적이라고 Boris Yakobson 교수는 설명했다. 그리고 이론물리학자들의 예측이 실험적 결과와 한 논문에서 소개되는 경우는 흔치 않다. Vasilii Artyukhov 연구원은 University of California at Berkeley의 전자 현미경에서 관찰되는 그래핀 가장자리에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 개발했다.

분자 힘의 존재가 그래핀에 인가되는 스트레스를 받아들이면서 가장자리 형태에 따라서 암체어 또는 지그재그 형태로 형성된다. 탄소-탄소 간 결합은 세상에서 가장 강한 결합으로 알려져 있다. 하지만 이번 연구의 포인트는 가장자리의 기원이 찢어지면서 발생한다는 것이다. 그래핀 박막의 가장자리는 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 다시 말해, 그래핀은 가장자리와 같은 장애물 없다면 전류가 매우 잘 흐를 수 있다.

그래핀과 탄소나노튜브의 가장자리 에너지(edge energy)는 오랫동안 관심의 대상이었고, 작년에 발표된 한 논문에서는 잘려진 각도에 따른 에너지를 정의하는 식이 소개되기도 했다. 분자 탄소 관점에서는, 암체어 및 지그재그 가장자리 형태가 가장 안정적이라 할 수 있다. 이는 가장자리를 따르는 원자의 간격이 규칙적이고, 또한 그 전기적 특성이 잘 알려져 있다. 지그재그 그래핀의 경우 금속성, 암체어 그래핀의 경우 반도체성을 띤다. 어떻게 그래핀 가장자리가 떼어지는지를 이해하고, 하나의 가장자리만 갖는 나노리본을 만들 수 있다면 새로운 혁명을 불러올 수 있을 것이다.

연구진은 그래핀이 가장 에너지 효율적인 경로를 따른다는 것을 발견했다. 즉, 최소의 에너지만을 소비한다는 것이다. 그래핀 조각내의 여러 크랙은 서로서로 30도의 각도를 엄격하게 유지했다. 그래핀은 최소의 에너지만을 소비하면서 찢어짐을 알 수 있다. 30도 각도 차이는 육방 격자의 그래핀 구조 속에서 지그재그와 암체어를 구별 짓게 한다. 이를 증명하기 위해서, 가상 세계에서 그래핀을 여러 방향으로 조각 내기 위해 분자 시뮬레이션 구축에 2개월이 소요됐다. 가해진 힘에 따라서, 그래핀 조각은 직선 방향 또는 두 방향이 교차하는 식으로 찢어질 수 있다.

가상세계에서 그래핀을 너무 강하게 당기게 되면, 그래핀은 산산조각 날 수 있다. 매우 섬세하게 힘을 인가함으로써, 그래핀으로 하여금 선호하는 방향을 선택하게 할 수 있다. Vasilii Artyukhov 교수는 가상세계에서는 현실보다 더 빠른 속도로 찢어질 수 있다고 설명했다.

놀랍게도 그래핀의 그레인 경계를 포함하는 경우에도 동일한 규칙을 따른다는 것이다. 즉, 그레인 경계를 따르지 않고 에너지 측면에서 가장 안정된 새로운 그레인을 형성하면서 찢어졌다. 연구진은 원하는 가장자리를 포함하는 그래핀 나노리본을 만들고 싶다면, 정답은 가능하다는 결론을 얻은 것이다.