울산과학기술원(UNIST)은 그래핀과 같은 2차원 신소재를 단결정 형태로 성장시키는 소재 합성 공식을 발견했다고 21일 밝혔다. UNIST에 따르면 신소재공학부 펑 딩(Feng Ding) 교수 연구팀은 에피택시(Epitaxy) 합성에서 결정섬 모양의 대칭성과 기판 표면 모양의 대칭성 간 상관관계가 단결정 2차원 물질 합성에 영향을 준다는 공식을 발견했다.
단결정은 물질 구성 원자의 배열이 규칙적이며 하나의 배향(원자들이 이어진 방향성)을 갖는 형태다.
배향이 다른 단결정 여러 개로 이뤄진 다결정보다 품질은 우수하지만, 상용화가 가능한 수준으로 크게 합성하기 어렵다. 이에 에피택시 합성법이 이를 극복할 단결정 2차원 소재 합성법으로 떠오르고 있다.
에피택시 합성법은 금속 기판 위에 듬성듬성 생긴 작은 결정 조각인 결정섬들을 이어 붙여 하나의 큰 단결정을 얻는 방법이다.
이를 통해 차세대 반도체나 전자 재료로 주목받는 단결정 그래핀, 육방정계 질화붕소, 이황화몰리브덴 등의 2차원 물질이 대면적으로 합성된 바는 있으나, 합성이 가능한 특정 조건이 제시된 적은 없었다. 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션 연구를 통해 기판 표면 모양의 대칭군이 결정섬 모양 대칭군의 부분군이어야만 2차원 물질이 단결정 형태로 합성된다는 특별한 조건을 밝혔다.
연구팀이 제안한 이론은 과거 2차원 나노 물질을 대면적 단결정으로 합성한 여러 사례와 모두 일치했다.
펑 딩 교수는 "일반적으로 기판 표면 모양의 대칭성이 낮을수록, 기판 표면 모양의 대칭군이 결정섬 모양 대칭군의 부분군일 확률이 높아진다"며 "이는 표면 모양의 대칭성이 낮은 기판을 이용해 2차원 단결정을 더 쉽게 합성할 수 있음을 의미한다"고 설명했다. 연구팀은 해당 합성 공식을 적용한 새로운 2차원 물질 합성 실험으로 이론을 추가로 입증해 나갈 계획이다.
연구는 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications) 온라인에 11월 17일 자로 공개됐다.