그래핀 기공에 철 원자 메워 2차원 금속박막 구현 성공

- 세계 최고 권위 과학저널 사이언스誌 3월호 게재 성과 -

□ 미래창조과학부(장관 최문기)와 국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 IBS(기초과학연구원, 원장 직무대행 신희섭)는 나노구조물리연구단(이영희 단장)의 마크 러멜리(Mark H. Rummeli) 그룹리더팀(성균관대 에너지과학과 교수)이 그래핀에 형성된 기공의 내부에 철 원자를 이동시켜 2차원의 단일층 금속박막을 만드는데 성공했다고 밝혔다.

o 연구진은 투과형 전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscope)을 이용하여 그래핀에 기공을 만든 뒤 철 원자를 이동시켜 구멍을 메웠고, 이를 통해 철로 구성된 단일층 막을 만들어냈다.

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

□ 이번 연구 성과는 미국과학진흥협회(AAAS)에서 발간하는 세계 최고 권위의 과학저널 사이언스(Science, IF 31.027)에 3월 14일자로 게재되었다.

* (논문제목) 그래핀 내부 기공에 걸쳐 있는 단일 원자층의 철 박막(Free-standing single-atom thick iron membranes suspended in graphene pores)

* (제1저자) IBS 나노구조물리연구단 자오 정(Zhao Jiong) 박사후 연구원

* (교신저자) IBS 나노구조물리연구단 마크 러멜리(Mark H. Rummeli) 그룹리더

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

o 그래핀은 단원자 두께의 평면구조를 지닌 ‘막(membrane)’형태로 되어 있어 2차원 구조의 물질로 분류된다. 한편, 철 원자는 그래핀처럼 평면구조가 아닌 3차원 구조를 형성하고 있으며, 원자 상호간의 결합에 관여하는 힘이 상당히 큰 공유결합으로 형성되기 때문에2차원 구조를 갖는 것이 사실상 불가능한 것으로 알려져 있었다.

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

o 하지만 연구진은 투과형 전자현미경으로 그래핀에 기공을 형성한 뒤 전자빔으로 철 원자를 기공 내부로 전이시킨 후 가장자리로부터 철 원자를 배열하여 독립된 2차원 구조의 금속막을 구현함으로써, 3차원 금속과는 다른 성질을 갖는 물질을 만들어냈다.

o 이 물질은 기존 3차원 구조가 갖는 원자 간격*과는 전혀 다른 2.65±0.05Å(옹스트롬)의 결과를 가져왔으며, 이는 그래핀과 철 금속박막의 접합 부분으로부터 기인하는 변형 때문인 것으로 예측하였다.

* (200)FCC(Face-Centered Cubic) Fe:1.8Å / (110)BCC(Body-Centered Cubic) Fe:2.0Å

* (200), (110) 등은 x y z 3개 축방향에 대한 원자의 방향성을 의미함

□ 연구진이 구현한 2차원 면 구조의 철 단일층 금속박막은 기존 3차원 구조 물질보다 큰 폭으로 향상된 물성을 갖게 될 것으로 예상되며, 이는 기존 자기기록(magnetic recording)에 쓰이던 물질 관련 연구에 큰 파급효과를 미칠 것으로 판단하였다. 또한, 광학적,전기적 물성도 기존 3차원 구조의 특성과는 다른 물성을 나타낼 것으로 예상했다.

□ 마크 러멜리 IBS 나노구조물리연구단 그룹리더는 “이번 성과는 3차원 구조로만 존재하던 금속 원자 배열을 독립된 2차원 구조로 구현했다는 것에 의의가 있다.”고 전하며 “본 원자의 배열에서 이론적 결과치로 예상되는 급격한 자기 모멘트(magnetic moment)의 향상은 향후 전기적, 광학적, 자기적인 연구와 응용에 상당한 파급효과를 미치게 될 것으로 기대된다.”고 밝혔다.