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호기심이 많았던 미국의 물리학자인 리차드 파인만 (Richard Feynman)은 1959 년의 획기적인 강의 인 “바닥에는 여지가 많다”에서 완벽한 층을 가진 계층화된 구조물로 무엇을 할 수 있으면 원하는 방식으로 원자를 배열 할 수 있다면 물질의 성질은 무엇인지에 대한 질문을 했다. 그것은 양자 역학을 사용하여 '원자 규모에서 모든 것을 조작하고 제어하는'것에 대한 심오한 아이디어이다. 당시에는 극히 일부분의 원자를 조작하는 것이 주요 연구 분야입니다. 파인만의 비전을 실현하기 위해 IBM과 벨 연구소의 연구원은 분자 빔 에피택시 (molecular beam epitaxy) 또는 MBE와 같이 층별로 재료를 구성하는 새로운 접근법을 고안해야 했다. 이것은 원자로 그림을 그리는 것과 같다. 갈륨, 알루미늄 또는 인듐과 같은 초 순수 재료를 기화하여 비소 또는 인과 결합시킨다. 기화된 원자는 비슷한 재료로 만들어진 기본 층으로 진공 챔버를 통해 날아간다. 원자들은 그것에 붙어서 서서히 천천히 한 개의 원자 층을 형성한다. 초고 진공으로 불순물을 최소화한다. 이 프로세스는 상대적으로 느리지만 일반적으로 분당 몇 개의 원자층 정도로 정밀도가 뛰어나다. 서로 다른 반도체 재료를 겹쳐 쌓아 이종구조 (heterostructures)라고 알려진 결정체를 만들 수 있다. 이 결정체는 매우 유용한 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 비화물과 갈륨 비소의 층을 교대로 쌓아 올리면 전기를 저장할 때 매우 좋은 소재를 만들 수 있다. 이 기술이 1990 년대와 2000 년대에 완성되어 과학자들은 특정 결정에서 전자와 에너지의 수를 제어할 수 있었다. 그리고 빛이 이 전자들과 상호 작용하기 때문에 전자 동작을 보다 잘 제어하여 빛에 자극을 받는 방법을 보다 효과적으로 제어할 수 있었다. 이종구조는 많은 새로운 발견을 가져 왔으며, 특히 전자와 같은 입자의 양자 행동에 관한 것이었다. 물리학 분야의 노벨상은 1973년, 1985년, 1998년, 2000년, 2014년에 다섯 번씩 수여되었으며, 그 결과물은 문명에 혁명을 일으켰다. 반도체 이종구조는 태양 전지, LED, 레이저 및 초고속 트랜지스터를 가능하게 했다. 이 구조가 없었다면 인터넷도 가능하지 않을 것이다. 온라인 정보 비트를 인코딩하는 빛 펄스를 보내는 레이저는 이 빛 펄스를 측정하고 정보를 해독하는 광 검출기와 마찬가지로 이종구조로 만들어진다. 그러나 여기에는 제한 사항이 있다. 이러한 이종구조의 원자 크기, 간격 및 배열은 결함이 발생하지 않게 층 간에 너무 다르면 안된다. 이는 가능한 재료 조합과 전자 및 광학 특성을 자유롭게 조작할 수 있는 가능성을 제한한다. 또한, 결정은 자연적으로 모든 세 방향에서 결합을 형성하는 원자로 구성된다. 이것은 항상 가장자리에 '매달린' 결합이 있다는 것을 의미한다. 외부의 불순물은 이러한 결함을 찾고 다른 특성을 파괴할 수 있는 결함을 만든다. 이것은 작은 결정의 경우 특히 중요해지며, 현대의 트랜지스터, 레이저 등으로 완전히 집적화되지 못하게 한다. 매우 얇은 재료의 궁극적인 재료는 단일 원자층이다. 다행히 자연은 그러한 '2 차원 결정'을 고안했다. 가장 유명한 것은 탄소 원자가 6 각형 패턴으로 배열된 그래핀이다. 그래핀은 강철보다 강하고 구리보다 전기를 잘 전달한다. 그것은 독특하고 때로는 이질적인 전자, 광학 및 기계적 성질을 가지고 있으며, 2010 년에 발견되어 노벨 물리학상으로 인정받았다. 완벽한 그래핀 결정체에서, 모든 원자들은 완전히 서로 결합되어 있으며 댕글링 (dagling) 결합이 없다. 스카치 테이프를 사용하여 흑연 층을 박리하여 그래핀을 생성하는 것이 가능하다. 그라파이트는 사실상 그래핀의 각 구성 시트에 있는 결합보다 훨씬 약한 반 데르 발스 힘에 의해 모두 유지되는 그래핀의 적층구조이다. 그래핀 이외에 다른 많은 2D 크리스탈이 있으며 각각 고유한 특성을 가지고 있다. 몇몇은 자연적으로 중요한 산업용 윤활제인 몰리브덴 디설파이드 (molybdnimum disulphide)와 같이 땅속에 보석처럼 존재한다. 다른 것들은 절연체 붕소 질화물과 같은 분자선 에피택시와 몰리브덴 디설파이드 (molybdnimum disulphide)와 같은 전이 금속 디칼코게나이드 계열의 결정들에 의해 만들어 질 수 있다. 그래핀은 그라파이트와 마찬가지로 과학자들은 더 많은 양의 화합물로부터 하나의 2D 시트를 벗겨 낸다. 이 시트의 내재적인 두께는 이전에 설명한 이종구조와는 완전히 다른 방식으로 작동할 수 있음을 의미한다. 서로 원자적으로 얇은 물질은 절연성, 반도체성, 금속성, 자성 또는 초전도 성일 수 있다. 과학자들은 2D 시트와는 다른 성질을 가진 반 데르 발스 이종구조로 알려진 새로운 이종 구조물을 만들기 위해 자유롭게 이 물질들을 선택, 배치 및 결합할 수 있다. 중요한 것은 이것들은 분자 빔 에피택시에 의해 만들어진 그들의 사촌들과 같은 한계가 없다는 것이다. 그들은 서로 다른 물질을 결합할 수 있는 전례없는 무한한 가능성을 가능하게 하는 매우 다른 원자 결정의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자기 층을 반도체와 절연체와 결합할 수 있다. 하지만 에피택셜 이종구조에서는 불가능할 수 있다. 이것은 하드 드라이브의 자기 메모리의 기초가 되는 전기를 사용하여 자력을 제어하는 장치를 만드는데 사용할 수 있다. 하나의 각도로 회전된 두 개의 동일한 원자 층을 함께 쌓을 수도 있다. 이것은 전자 및 광학 특성을 설계할 수 있는 새로운 자유도를 제공하는 무아레 (moirE) 패턴이라고 불리는 격자를 만든다. 현재 런던 왕립 학회 여름 전시회에서 Heriot-Watt의 시연에서 이 주제에 관한 한 포스터는 어떻게 작동하는지 보여주었다. 반 데르 발스 이종구조는 아직 초기 단계에 있지만 인상적인 새로운 물리학 및 기능은 이미 등장하고 있다. 여기에는 더 작고 가볍고 유연하고 효율적인 태양 전지, LED, 트랜지스터 및 자기 메모리 버전이 포함된다. 미래에 우리는 예전에는 꿈꿔 본 적이 없는 놀라움을 기대할 수 있다. 초기 예제는 서로 마주 보며 '마술 각도'로 두 층의 그래핀을 비틀면 전자가 초전도가 된다는 최근의 발견이다 (Nature, 'Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices'). 아직 명확하게 이해되지 않은 이 획기적인 기술은 에너지를 잃지 않고 전자가 초전도체를 탐색할 수 있는 방법에 대한 30 년 동안의 신비를 열어주고 있다. 상온에서 초전도체를 사용할 수 있게 되어 의료용 이미징 및 양자 컴퓨터에서 전기 장거리 전송에 이르기까지 모든 분야에서 잠재적인 이점을 얻을 수 있을 것이다. |
