국내 연구팀이 다층 2차원 물질의 전자 상태를 설계하는 새로운 원리를 제시했다. 향후 떨어진 층의 전자 상태를 제어하는 새로운 방식의 2차원 전자소자 개발로 이어지는 징검다리 기술이 될 것으로 기대된다.
디지스트(DGIST·총장 이건우)는 김영욱 화학물리학과 교수 연구팀이 조길영 KAIST 교수 연구팀과 공동으로 한 층에서 형성된 '무아레(moire) 효과'가 직접 맞닿지 않은 다른 층의 전자 상태까지 변화시키는 '원격 무아레 변조' 현상을 실험적으로 규명했다고 15일 밝혔다.
특히 전자가 층과 층 사이를 직접 이동하지 않는 조건에서도 정전기적 상호작용만으로 무아레 효과가 전달될 수 있음을 확인해, 다층 2차원 물질의 전자 상태를 설계하는 새로운 원리를 제시했다. 이번 연구 성과는 나노과학 분야 국제학술지 'ACS Nano'에 게재됐다.
'무아레'는 두 개의 규칙적인 무늬를 약간 어긋나게 겹쳤을 때 새로운 큰 무늬가 나타나는 현상이다. 그래핀과 같은 원자층 물질도 서로 조금 비틀어 쌓으면 '무아레 초격자'가 형성되며, 이는 전자의 움직임과 에너지 상태를 크게 바꿀 수 있다.
지금까지 무아레 효과는 주로 두 물질이 직접 맞닿아 무아레 구조가 형성되는 계면 주변에서만 나타나는 것으로 여겨졌다. 특히 층간 전자 이동이 억제된 경우, 전자적으로 분리된 층에는 영향을 주기 어렵다고 봤다.
연구팀은 세 층의 그래핀을 서로 약 5도씩 비틀어 쌓고, 가장 위쪽 그래핀만 육방정계 질화붕소(hBN)와 정렬한 소자를 제작했다. 이 구조에서는 위쪽 그래핀에만 무아레가 형성되고, 아래쪽 두 그래핀에는 직접적인 무아레 구조가 생기지 않는다. 또한 비틀림 각도가 커 층간 전자 이동도 크게 억제된다.
전기적 특성을 측정한 결과, 무아레 구조가 없는 아래쪽 그래핀에서도 무아레의 영향을 받은 새로운 신호가 나타났다. 특히 hBN과 그래핀의 정렬 각도를 0도, 1도, 2도로 바꿔 무아레 주기를 변화시키자, 아래층에서 나타나는 신호 역시 이에 맞춰 변화했다.
이번 연구는 무아레 효과가 형성되는 층과 실제 전자 상태를 조절하려는 층을 분리할 수 있음을 보여줬다는 점에서 의미가 있다. 즉, 한 층에 만든 무아레 구조를 이용해 떨어진 다른 층의 전자 상태를 제어하는 '원격 무아레 변조'의 가능성을 제시한 것이다.
김영욱 교수는 “이번 연구는 무아레 퍼텐셜이 만들어진 계면을 넘어 전자적으로 분리된 다른 층에도 영향을 미칠 수 있음을 보여준 결과다. 향후 한 층의 무아레 구조를 설계해 떨어진 층의 전자 상태를 제어하는 새로운 방식의 2차원 전자소자 개발로 이어질 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 DGIST 김영욱 교수 연구실 출신 김도훈 박사(현 펜실베이니아주립대 박사후연구원)와 최준식 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
