'압력' 이용한 물질의 차원 전환 최초 발견
'압력' 이용한 물질의 차원 전환 최초 발견
  • 함예솔
  • 승인 2018.12.27 18:55
  • 조회수 5074
  • 댓글 0
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뭘 발견했는데?

  • 연세대학교 지구시스템과학과 이용재 교수 연구팀이 재료, 물리, 화학 등 다양한 분야를 아우르는 국제공동연구를 실시했습니다.
  • 나노 실리콘(규소원소, Si)의 형상이 압력을 통해 조절될 수 있다는 점을 세계 최초로 발견했습니다.
  • 이차원 나노시트(nanosheet) 형상으로 합성된 실리콘(규소원소, Si)에 대기압의 수십만 배에 달하는 압력을 가했습니다.
  • 상압으로 전환하는 과정에서 기존의 이차원 나노시트(nanosheet)가 일차원 나노와이어(nanowire)로 형상이 전환됐습니다.
  • 이렇게 만들어진 실리콘 나노와이어는 폭이 약 15 나노미터(nm, 1nm=10억분의 1m), 길이는 약 1 마이크론(μm, 1 μm = 100만분의 1 m) 범위로 관찰됐습니다.
  • 기존의 나노시트 형태 실리콘 형상이 대부분 나노와이어 형태로, 즉 이차원(2-dimension) 판상 물질에서 일차원(1-dimension) 선형 물질로 전환됐음을 확인했습니다.

 

규소 (Si) 또는 이산화규소(SiO2)로 구성된 석영~ 출처: fotolia
규소 (Si) 또는 이산화규소(SiO2)로 구성된 석영~ 출처: fotolia

어떻게 조사했지?

  • X-선 회절 패턴으로는 더 이상 특별한 정보를 구할 수 없는 상황입니다.
  • 이런 상황에서 압력 처리를 통해 만든 비정질 물질에 대한 추가적인 정보를 위해 전자현미경 이미징과 구조 및 물성 계산법을 적용했습니다.
  • 압력 처리 후 회수된 비정질 실리콘 시료에 대해 첨단 고각도-암시아-주사투과전자현미경(High-angle Annular Dark Field Transmission Electron Microscopy)을 이용해 관찰했습니다.
  • 압력은 전자 결합에 직접적인 변형을 가할 수 있는 깨끗한 변수입니다.

압력을 통해 물질마다 고유한 물리적, 화학적 특성을 제어하고 기존과는 다른 광학, 전자, 자기, 촉매 및 기계적 속성을 만들 수 있다고 생각했습니다.

-이용재 연세대학교 지구시스템과학과 교수- 

다이아몬드 앤빌 장치. 출처: Wikimedia Commons
다이아몬드 앤빌 장치. 출처: Wikimedia Commons

특이한 점은?

  • 다이아몬드 앤빌셀(diamond-ancilcell)이라는 소형 고압 장치를 이용했습니다.
  • 다이아몬드 앤빌셀은 단단하면서도 빛 투과성이 우수한 다이아몬드를 압력 전달의 모루(anvil)로 사용하는 소형고압장치입니다.
  • 두 개의 다이아몬드 사이에 소량의 실리콘 나노시트 시료를 가두고 대기압의 만 배 단위로 압력을 증가시켰습니다.
  • 포항방사광가속시에서 만들어내는 고에너지 고휘도의 X-선을 다이아몬드 사이의 시료에 조사시켰습니다.
  • 두 다이아몬드의 큘렛(culet)사이에 수십 마이크론 크기의 시료를 두고 힘을 가해 대기압의 수십~수백만 배까지의 압력을 만들 수 있습니다.
고압 하에서 실리콘 나노시트가 나노와이어로 변형됨을 보여주는 그림. 출처: 연세대학교
고압 하에서 실리콘 나노시트가 나노와이어로 변형됨을 보여주는 그림. 출처: 연세대학교

 

"실리콘 나노 시트에서 특정한 방향을 따라 형성되어 있던 결함(defect) 구조가 압력 처리를 통해 확장되면서 나노와이어 성장의 중심축 역할을 했으며 상압에서도 안정적인 나노와이어가 만들어진 것으로 보입니다. 

-전자현미경 공동연구자 미국 사우스캐롤라이나대학 나노센터소장 토마스 보그트 교수-

 

이 연구가 왜 중요하지?

 

  • 최근 제안된 실리콘 나노필라(nanopillar) 제작법에 버금가는 높은 종횡비(aspect ratio)를 보입니다.
  • 차세대 이미지 센서 소자 물질합성의 새로운 방법이 될 수 있습니다.
  • 일차원 나노와이어로 만든 실리콘은 기존의 벌크 실리콘이나 나노시트 실리콘에 비해 약 6배 정도 낮은 열전도도를 보입니다.
  • 이는 향후 개선된 열전(thermoelectrics) 소자 물질로써의 가능성도 함께 보여줬습니다.
  • 과학기술 전 분야의 세계적인 학술지인 <네이처 커뮤니케이션즈>에 게재됐습니다.

 

이용재 교수. 출처: 연세대학교
이용재 교수. 출처: 연세대학교

"이번 연구는 고압 연구의 다학제간 특성을 잘 보여주는 사례입니다. 앞으로 압력을 이용한 '연금술'을 통해 보다 흥미로운 물질의 숨겨진 특성을 밝힐 수 있도록 노력하겠습니다"

-연세대학교 지구시스템과학과 이용재 교수-



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