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독일 막스플랑크 고분자 연구소(Max Planck Institute for Polymer Research)와 드레스덴 공과대학(Technische UniversitAt Dresden)의 연구진은 고결정성 실리콘의 것과 유사한 전기적 특성을 가진 새로운 금속-유기 재료를 개발했다. 이 재료는 실온에서 쉽게 제조될 수 있고, 광전자 공학에서 사용되는 고가의 무기재료를 대체할 수 있을 것이다. 실리콘은 현재 태양전지, LED, 컴퓨터 칩 등에 널리 사용되고 있다. 이러한 분야에 적용하려면 고순도 실리콘이 필요한데, 이것을 만들기 위해서는 높은 비용이 든다. 이번 연구진은 이런 고순도 실리콘과 유사한 전기적인 특성을 가진 새로운 저비용 금속-유기 구조체(metal-organic framework)를 개발했다. 과거에 제조된 금속-유기 구조체는 전기 전도성이 거의 없기 때문에 광전자 분야에 적용할 수가 없었다. 이번에 개발된 금속-유기 구조체는 유기 분자들로 연결된 철 이온으로 구성되었고, 높은 결정질을 가진 고체이다. 실리콘과 달리 상온에서 만들 수 있고 화학적 특성과 전기적 특성을 제조 과정에 따라서 쉽게 변화시킬 수 있다. 드루드 거동(Drude behavior)은 물질 내의 전자가 외부 전기장의 인가 하에서 자유롭게 움직이는 것을 의미한다. 실리콘처럼 고도로 정렬된 무기 결정에서 흔히 볼 수 있는 이러한 거동은 유기 물질에서 거의 나타나지 않았다. 이번에 개발된 금속-유기 구조체에서 이러한 드루드 거동이 관찰되었고, 재료의 전도도를 측정하기 위해서 초고속 테라헤르츠 분광법(ultrafast terahertz spectroscopy)을 사용했다. 이번 연구진은 절연 금속-유기 구조체에서 관찰된 것보다 전자 이동도가 10,000배를 초과한다는 것을 확인했다. 이것은 전자가 금속-유기 구조체 속을 전기장 하에서 쉽게 장거리로 이동할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 이 새로운 재료는 광전자 공학에서 금속-유기 구조체를 사용할 수 있는 새로운 길을 열어준다. 향후에는 금속-유기 구조체의 조성을 변화시킴으로써 전기적 특성을 직접 설계하는 연구를 진행해야 할 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature Material에 “High-mobility band-like charge transport in a semiconducting two-dimensional metal–organic framework” 라는 제목으로 게재되었다. |
