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펜실베이니아 대학(University of Pennsylvania)의 연구진은 이텔루르화 텅스텐(tungsten ditelluride)이라고 불리는 독특한 2차원 재료의 단일 층을 생성하는데 최초로 성공했다. 다른 2차원 재료와는 달리, 이텔루르화 텅스텐은 토폴로지 전자 상태(topological electronic state)를 가지고 있을 것이라고 예상되었다. 이것은 여러 가지 특성을 동시에 가질 수 있다는 것을 의미한다. 2차원 재료를 생각할 때, 그래핀을 최초로 떠올릴 것이다. 2004년에 처음 발견된 한 개의 탄소 원자 시트로 구성된 그래핀은 새로운 혁신을 불러왔다. 그래핀의 가장 중요한 특성 중의 하나는 금속과 반도체 특성을 동시에 가질 수 있는 제로 밴드갭(zero bandgap) 반도체라는 것이다. 2차원 재료들이 가질 수 있는 특성들은 매우 많다. 일부 재료들은 절연 특성을 가지고, 다른 것들은 빛을 방출할 수 있고, 또 다른 것은 스핀트로닉스(spintronic)가 될 수 있다. 토폴로지 전자 상태를 가지는 2차원 재료들은 독특한 특성들을 가진다. 이텔루르화 텅스텐이 3개의 원자 층으로 구성되기 때문에, 원자들은 서로 다른 방향으로 배열될 수 있다. 이런 3 개의 원자들은 서로에 대해서 약간 다른 배치를 가질 수 있다. 이런 배치 중의 하나가 토폴로지 특성을 가지게 할 것으로 예측된다. 이번 연구진은 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)이라고 불리는 프로세스를 사용해서 이 재료를 성장시킬 수 있었다. 고온 관상로(冠狀盧)를 사용해서, 적정 온도로 가열할 후에, 텔루륨이 함유된 증기를 주입했다. 우수한 관상로와 적정 조건을 찾음으로써, 이런 원소들이 단일층을 형성하도록 화학적으로 반응하고 결합할 수 있었다. 이런 재료들은 대기 중에서 매우 빠르게 분해되지만, 이번 연구진은 재료가 파괴되기 전에 이것을 보호할 수 있는 방법을 알아내었다. 이 방법은 삼각형 미립자가 아니라 직사각형 미립자로 재료들을 성장시키는 것이다. 이것은 재료 속에 직각 대칭을 가지게 한다. 그래서 서로 다른 형상으로 성장하는 서로 다른 구조를 가지게 한다. 이런 토폴로지 시스템의 한 가지 특징은 전류가 재료의 모서리에만 전달되고 재료의 중심으로 전달되지 않는다는 점이다. 이런 특성을 가진 단일 층 두께의 재료를 만들 수 있다면, 전기 신호가 다른 위치로 전달되지 않게 할 수 있다. 이런 재료들은 현재의 컴퓨터보다 훨씬 더 빠르게 계산을 수행할 수 있는 양자 컴퓨팅에도 영향을 끼칠 수 있다. 이런 종류의 2차원 재료들은 양자 컴퓨팅의 형태로 오류 없는 계산을 수행할 수 있을 것이고, 많은 물리적 특성들을 구현할 수 있을 것이다. 토폴로지 전자 상태는 매우 흥미롭고 새롭다. 그래서 앞으로 많은 연구가 필요할 것이고, 특히 2차원 재료들은 예측치 못한 특성들을 가질 수 있기 때문에 나노기술 발전에 크게 기여할 것이다. 이 연구가 아직 초기 단계이고, 연속적인 박막을 제작할 수 없지만, 토폴로지 전자 특성을 조사하고, 이것을 발전시키는데 크게 기여할 것이라는 것은 의심할 여지가 없다. 이 연구결과는 저널 2-D Materials에 ldquo;Large-area synthesis of high-quality monolayer 1T #39;-WTe2 flakes rdquo; 라는 제목으로 게재되었다. |
