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비틀 수 있는 전자장치에서 그래핀의 대칭성 변환

<KISTI의 과학향기> 제3516호

미 Columbia 공과대학 연구진은 그래핀 층 위와 아래에 있는 BN(boron nitride) 층의 제어된 회전은 각도의 함수로서 크기, 대칭, 복잡성을 변화시키는 공존하는 moiré superlattices를 도입하는 것을 확인했다. 이 시스템에서 컬럼비아 연구진은 하단 BN 슬래브에 정렬된 그래핀을 기계적으로 회전시킴으로써 단일 장치 내에서 단층 그래핀의 밴드구조에 대한 전례없는 제어를 이룰 수 있었다.
이 연구는 단순히 트위스트 각도를 조정함으로써 2차원 물질의 특성을 조정하는 새로운 방법을 보여준다. 연구원들은 BN 두 결정 사이에 캡슐화된 단층 그래핀으로 구성된 장치를 만들었고 층들 사이의 상대적인 트위스트 각도를 조정함으로써 여러 개의 moiré 패턴을 만들 수 있었다.
Moiré 패턴은 새로운 전자물질 특성을 변화시키거나 생성시키려는 응축물질 물리학자와 재료 과학자들이 깊은 관심을 가지고 있다. 이러한 패턴은 절연체로서의 BN과 반금속인 그래핀을 정렬하여 만들 수 있다. 원자의 벌집형 격자들이 정렬되면 나노 크기의 간섭 패턴인 moiré superlattice가 만들어진다. 이 moiré superlattice는 그래핀에서 전도성 전자의 양자역학적 환경을 변화시키므로 그래핀의 전자적 특성에 중대한 변화화를 프로그래밍하는 데 사용할 수 있다.
현재까지 그래핀-BN 시스템의 moiré superlattices 효과에 대한 대부분의 연구는 단일 인터페이스를 검토했다. 하지만, 이 연구는 두 인터페이스 중 하나에 대한 전체 회전제어가 단일 장치 내에서 가능하다는 것을 보여주었다.
컬럼비아 연구진은 한 인터페이스에서 지속적인 정렬과 다른 인터페이스에서 조정 가능한 정렬을 가진 장치를 설계함으로써 이제 그래핀 층에 대한 다중 moiré superlattice 전위의 영향을 연구할 수 있게 되었다.
연구팀은 관찰된 그래핀의 전자 특성에서 유의한 변화를 추론한 결과, 층의 각도를 비틀면 moiré superlattice의 강도와 전체 대칭 모두를 제어할 수 있다는 것을 발견했다. 이 기술은 천문학, 의학, 탐색 및 구조 등의 응용분야로 나노전자기계 센서 개발에 적용될 수 있을 것으로 보인다.
연구진은 이제 반전 대칭성이 결여된 시스템에서 초전도성, 위상학적으로 유도된 강자성, 비선형 광학적 반응과 같은 이색적 효과를 연구하기 위해 광범위한 2-D 소재의 단일층을 비틀 수 있는 능력을 배양하고 있다.

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