연세대, 세계 최초 1나노미터 실리콘 게르마늄 칼코겐 화합물 구현

[대학저널 이선용 기자] 연세대학교 물리학과 김관표 교수가 이끈 국제 공동 연구팀이 실리콘과 게르마늄 칼코겐 화합물로 이루어진 1차원 결정질 유리 구조를 구현하고, 그 구성 원소를 정밀하게 제어하는 데 성공했다.

연구 결과는 나노과학 분야의 세계적인 학술지 ‘ACS Nano(IF 15.8)’에 6월 26일 온라인 게재됐다.

대표적인 유리 물질인 산화규소(SiO2)처럼, 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge) 칼코겐 화합물은 사면체 사이의 결합 방식에 따라 다양한 구조체를 형성할 수 있다. 그러나, 이런 물질들은 공기 중에서 불안정하기 때문에 화합물 구조를 제어하는 데 어려움이 있었다.

연세대 김관표 교수팀은 UC버클리 알렉스 제틀 교수팀과 협력해, 나노튜브 합성 템플릿 내부에 1차원 실리콘 및 게르마늄 칼코겐 화합물 반도체 구조를 구현했다. 그리고 중국과학원대(UCAS) 우 저우(Wu Zhou) 교수팀과 연세대 기초과학연구원 나노의학연구단의 초고분해능 투과전자현미경을 이용해 1차원 체인 물질의 원자 구조 및 성분을 분석했다.

연구팀은 원자 단위 이미징을 통해 세상에서 가장 얇은 1나노미터(㎚) 두께의 실리콘 게르마늄 칼코겐 화합물 체인 구조를 밝혀냈다. 이 나노튜브 내부에 합성된 1차원 실리콘 칼코겐 화합물은 외부 환경에 노출돼도 매우 안정적이었다.

또한 실리콘, 게르마늄, 황(S), 셀레늄(Se)을 혼합한 1차원 체인 구조체를 합성해, 1나노미터 수준에서 합금 체인의 조성비를 조절할 수 있음을 실험적으로 입증했다. UC버클리 마빈 코헨 교수팀은 제일원리 계산으로 1차원 체인을 구성하는 원소들의 조성비 변화를 통해 물질의 밴드갭을 폭넓게 조절할 수 있음을 확인했다.

연세대 김관표 교수 연구팀은 “이번 연구는 원자 수준에서 사면체 구조의 결합 방식과 조성을 정밀하게 제어할 수 있음을 실험적으로 구현했다”며, “나노튜브 합성 템플릿을 이용한 새로운 저차원 나노물질에 대한 다양한 응용 가능성이 기대된다”고 본 연구의 의미를 설명했다.