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나노 스케일에서 물질을 조작하는 전문가인 콜럼비아 대학의 연구원은 최근 네이쳐 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology)에서 물리학 및 재료 과학에서 중요한 돌파구를 마련했다고 발표했다. 연구팀은 반도체 소자에서 그래핀의 전자 구조를 처음으로 재현하여 '인공 그래핀'을 설계했다. 인공 그래핀은 광학, 분자 및 광자 격자와 같은 다른 시스템에서 입증되었지만 이러한 플랫폼은 반도체 프로세싱 기술이 제공하는 다양성과 잠재력이 부족하다. 반도체 인공 그래핀 장치는 새로운 유형의 전자 스위치, 탁월한 특성, 심지어 이국적인 양자 역학적 상태에 기반한 정보를 저장하는 새로운 방법까지도 포함할 수 있다. 2000 년대 초반에 그래핀 발견은 물리계 공동체에 엄청난 흥분을 안겨주었다. 왜냐하면 그것은 진정한 2 차원 물질의 실제 현실화 뿐 아니라 그래핀에 있는 탄소 원자의 고유한 원자 배열이 기존의 재료 시스템에서 관찰하기 어려운 새로운 양자 현상을 테스트할 수 있기 때문이다. 특이한 전자 특성, 전자가 뿔뿔이 흩어지기 전에 먼 거리를 이동할 수 있는 그래핀은 뛰어난 물질이다. 또한 이 속성들은 빛의 속도에 가깝게 움직이는 상대성 입자인 것처럼 전자가 행동하는 다른 고유한 특성을 나타내어 '규칙적인' 비 상대론적 전자에는 없는 이국적인 특성을 부여한다. 그러나 자연 물질인 그래핀은 단지 하나의 원자 배열로 되어 있다. 그래핀 격자에 있는 원자의 위치는 고정되어 있으며 그래핀에 대한 모든 실험은 이러한 제약에 적응해야 한다. 다른 한편으로, 인공 그래핀에서 격자는 넓은 범위의 공간과 구성에 맞게 설계될 수 있어 응축 물질 연구자가 자연 소재보다 더 다양한 특성을 갖기 때문에 응축 물질 연구자에게는 훌륭한 뼈대가 된다. 이것은 급속도로 확대되고있는 연구 분야이며 이전에는 접근할 수 없었던 새로운 현상을 발견하고 있다. 연구팀은 인공 그래핀의 전기적 제어를 기반으로 하는 새로운 장치 개념을 연구하면서 첨단 광전자 및 데이터 처리 분야의 영역을 확장할 잠재력을 열 수 있다. 이 연구는 인공 그래핀의 주요 진보이다. 그래핀과 같은 전자 특성을 갖는 시스템이 인위적으로 생성되어 패턴화된 2D 전자 가스로 조정될 수 있다는 최초의 이론적 예측 이후로 컬럼비아 대학이 연구할 때까지 아무도 성공하지 못했다. 분자, 원자 및 광자 구조에 대한 이전의 연구는 훨씬 더 다재다능하지도 않고 안정적인 시스템을 대표한다. 나노 제작된 반도체 구조는 흥미 진진한 새로운 과학 및 실제 응용을 탐구할 수 있는 엄청난 기회를 열어 준다. 연구팀은 갈륨 아세나이드 (gallium arsenide)와 같은 표준 반도체 재료에 인공 그래핀을 개발하기 위해 기존의 칩 기술 도구를 사용했다. 그들은 전자가 매우 좁은 층 내에서만 움직일 수 있도록 층 구조를 설계하여 효과적으로 2D 시트를 생성했다. 그들은 갈륨 아세나이드를 패턴화하기 위해 나노 리소그래피와 에칭을 사용했다. 패터닝은 전자가 측면 방향으로 제한된 사이트의 육각형 격자를 만들었다. '인공 원자'라고 생각할 수 있는 이러한 위치를 서로 충분히 (~ 50 나노 미터 간격으로) 배치함으로써, 이러한 인공 원자는 고체가 전자를 공유하는 방식과 유사하게 양자 역학적으로 상호 작용할 수 있다. 연구팀은 인공 격자의 전자 상태를 레이저 빛을 비추고 흩어져 있는 빛을 측정함으로써 조사했다. 산란된 빛은 한 상태에서 다른 상태로의 전자 에너지의 전이에 해당하는 에너지의 손실을 보여 주었다. 그들이 이 전환을 지도화할 때 연구팀은 전자 밀도가 사라지는 '디랙 포인트 (Dirac point)'를 중심으로 직선적으로 제로에 가까워지고 있음을 발견했다. 이는 그래핀의 특징이었다. 이 인공 그래핀은 천연 그래핀에 비해 몇 가지 장점을 가지고 있다. 예를 들어, 연구원은 벌집 격자에 전자 동작을 변조하는 변형을 설계할 수 있다. 그리고 양자점 사이의 간격이 천연 그래핀의 원자 간 간격보다 훨씬 크기 때문에 연구진은 자기장을 가하면 훨씬 더 이색적인 양자 현상을 관찰할 수 있다. 이전에는 접근하기 힘든 흥미롭고 새로운 물리적 현상을 보여주는 그래핀과 다른 초박막의 새로운 반 데르 발스 (van der Waals) 필름과 같은 새로운 저 차원 재료의 발견이 이 연구의 토대가 되었다. |
