전기가 통하는 '절연체' 발견

AA과 AB 적층 hBN의 결정구조

국내 연구진이 전기가 통하지 않아 절연재로 많이 쓰이는 질화붕소에서 나노 크기의 전기가 통할 수 있는 길을 발견했다. 원자 두께의 1차원 전극 채널을 구성해 반도체 소자를 줄이는데 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 기초과학연구원의 다차원 탄소재료연구단은 6일 대표적인 2차원 절연체 물질인 질화붕소(hBN)를 층층이 쌓아올린 물질의 경계에서 머리카락보다 백만 배 얇은 1.5nm 두께의 전도 채널을 발견했다고 밝혔다.
 

AA'AB 적층 경계면에 형성된 채널을 투과전자현미경으로 관찰한 원자구조

연구팀은 질화붕소를 화학기상증착법을 이용해 전도 채널의 존재를 밝혀냈다. 질화붕소는 육각형 모양으로 각 꼭지점에는 붕소와 질소가 자리한다. 이를 붕소와 질소가 같은 곳에 위치해 정확히 겹쳐놓은 구조를 AA적층이라고 하고, 서로 겹쳐 엇갈린 형태를 AB적층이라하는데 이 구조가 맞닿은 경계면에서 전자의 통로에서 발견한 것이다.

또한 연구팀은 원자분해능 투과전자현미경(TEM)과 이미지 시뮬레이션 분석을 통해 이 통로의 정확한 형태를 파악했다.
 

이종훈 IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더와 박효주 연구위원

연구팀은 이번 발견을 유연소자, 투명소자 등 차세대 전자소자에 무궁무진하게 응용할 수 있을 것으로 봤다.

연구팀은 "도체와 부도체를 결합해 만드는 전자소자의 경우 두 소재의 표면을 감싸서 안정화시키는 부동화 과정이 필요하다"며 "연구진이 개발한 소자는 절연체인 hBN 사이에 전자통로가 내재된 구조이기 때문에 별도의 부동화 과정이 필요 없다는 장점이 있다"라고 설명했다.

이종훈 그룹리더는 "그간 2차원 전자소자 분야에서 hBN은 그래핀이라는 주인공을 돋보이게 하는 조연 역할을 해왔다"며 "hBN이 부도체이자 도체로 역할 할 수 있음을 규명한 만큼 향후 hBN 단일전자소자 등으로 응용 범위를 무한히 넓혀갈 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 7일(현지시간) 사이언스 어드밴시스에 게재됐다.

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