국내 연구진, 2차원 금속박막 구현 성공

그래핀 기공에 철 원자 메워

국내 연구진이 3차원 구조로만 존재하던 금속 원자 배열을 독립된 2차원 구조로 구현했다.

미래창조과학부와 기초과학원구원(IBS)은 나노구조물리연구단의 마크 러멜리 그룹리더팀(성균관대 에너지과학과 교수)이 그래핀에 형성된 기공의 내부에 철 원자를 이동시켜 2차원의 단일층 금속박막을 만드는데 성공했다고 14일 밝혔다.

연구진은 투과형 전자현미경(TEM)을 이용해 그래핀에 기공을 만든 뒤 철 원자를 이동시켜 구멍을 메웠고 이를 통해 철로 구성된 단일층 막을 만들어냈다.

이렇게 구현된 철 원자막은 지금까지 알려진 원자 간 간격과는 현저히 차이가 나며 3차원 구조(bulk)와는 다른 물성을 갖는다는 사실을 규명했다.

연구진은 그동안 3차원으로만 존재가 가능했던 철 원자의 배열을 그래핀 가장자리 부분과의 상호작용을 통해 지금까지 알려져 있지 않던 새로운 2차원 단일층 금속박막을 구현했다.

그래핀은 단원자 두께의 평면구조를 지닌 ‘막’형태로 돼 있어 2차원 구조의 물질로 분류된다. 한편 철 원자는 그래핀처럼 2차원구조가 아닌 3차원 구조를 형성하고 있으며 원자 상호간의 결합에 관여하는 힘이 큰 공유결합으로 형성되기 때문에 2차원 구조를 갖는 것이 사실상 불가능한 것으로 알려져 있었다.

기존에 보고된 연구결과에서도 2차원 구조의 단일층 금속박막을 구현한 사례가 있으나 구리, 텅스텐 등 기판으로 이를 지지하였기 때문에 완벽하게 독립된 형태의 2차원 구조로 간주되기는 어려웠다.

하지만 연구진은 투과형 전자현미경으로 그래핀에 기공을 만든 뒤 철 원자를 기공으로 이동시켜 그래핀의 구멍을 메워 독립된 2차원 구조의 금속막을 구현해 3차원 금속과는 다른 성질을 갖는 물질을 만들어냈다.

이 물질은 기존 3차원 구조가 갖는 원자 간격과는 전혀 다른 2.65±0.05A(옹스트롬)의 결과를 가져왔다. 연구진은 그래핀과 철 금속박막의 접합 부분으로부터 기인하는 변형 때문인 것으로 예측했다.

연구진은 “구현한 2차원 면 구조의 철 단일층 금속박막은 기존 3차원 구조 물질보다 큰 폭으로 향상된 물성을 갖게 될 것으로 예상된다”며 “이는 기존 자기기록에 쓰이던 물질 관련 연구에 큰 파급효과를 미칠 것”이라고 판단했다.

또 “광학적, 전기적 물성도 기존 3차원 구조의 특성과는 다른 물성을 나타낼 것”이라고 예상했다.

연구결과는 미국과학진흥협회(AAAS)에서 발간하는 과학저널 사이언스(Science, IF 31.027)에 3월 14일자에 개재됐다.

김은경 기자 cr21@