성균관대 에너지 과학과 마크 러멜리 교수. (미래창조과학부 제공)
우리나라와 독일 연구진이 참여한 국제공동 연구팀이 철 원자 하나 두께의 새로운 금속박막을 만들어 내는데 성공해 세계 최고 권위지 '사이언스'에 연구결과가 게재됐다.
미래창조과학부는 14일, 성균관대 에너지 과학과 교수인 기초과학연구원 나노구조 물리연구단 마크 러멜리 리더팀이 얇은 흑연박막인 그래핀 구멍에 철 원자를 이동시켜 2차원의 단일층 금속박막을 만드는데 성공했다고 밝혔다.
이렇게 만들어진 철 원자막은 지금까지 알려진 원자간 간격과는 현저히 차이가 나고 3차원 입체 구조를 갖는 보통 철 원자와는 다른 물리적 성질을 갖는다는 사실도 밝혀냈다.
이에 따라 기존의 자기기록(magnetic recording) 장치에 쓰이던 물질 관련 연구에 큰 파급효과를 미칠 것으로 예상된다.
흑연은 3차원 구조를 지니고 있지만 층간의 인력이 비교적 약해 각 층이 쉽게 분리될 수 있고 이렇게 분리된 단일의 흑연층은 '그래핀'으로 불린다.
이런 원자 하나 두께의 흑연층은 '막'(Membrane) 형태로 돼 있어 2차원 구조의 물질로 분류된다.
반면 철은 원자끼리 서로 결합에 관여하는 힘이 그래핀 보다 훨씬 큰 이른바 '공유결합'으로 돼 있어 2차원 구조를 갖는 것이 사실상 불가능한 것으로 알려져 왔다.
지금까지 연구에서도 2차원 구조의 단일층 금속박막이 만들어진 일이 있기는 하지만 이것들은 구리나 텅스텐 등 기판으로 이를 지지했기 때문에 완벽하게 독립된 형태의 2차원 구조로 간주되지는 않았다.
국제공동연구팀이 철 원자 하나 두께의 새로운 금속박막을 만드는데 성공했다. (미래창조과학부 제공)
그런데 독일과 폴란드, 우리나라가 공동으로 참여한 이번 연구에서는 독립적인 구조를 갖는 2차원 구조의 '금속'을 합성함으로써, 그래핀 혹은 2차원 금속 디칼코제나이드 등 지금까지 알려진 물질과는 다른 새로운 물질을 만들어 냈다.
투과형 전자현미경으로 그래핀에 구멍을 뚫은 뒤 철 원자를 이 기공으로 이동시켜 그래핀의 구명을 메움으로써 독립된 2차원 구조의 금속막을 만들어 3차원 금속과는 전혀 다른 성질을 갖는 '신물질'이 만들어 진 것이다.
이 물질은 기존 3차원 구조가 갖는 원자 간격과는 전혀 다른 2.65±0.05Å(옹스트롬)의 결과를 보였다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 그래핀과 철 금속박막의 접합부분에서 생기는 변형때문인 것으로 추측했다.
연구팀은 이 2차원 금속박막이 기존의 3차원 금속과 비교해 큰 폭으로 향상된 물리적 특성을 갖게 될 것으로 예상했다.
이는 기존에 자기기록(magnetic recording)에 쓰이던 물질 관련 연구에도 큰 파급효과를 미칠 것으로 판단하고 있다.
또 광학적, 전기적 물성도 기존의 3차원 구조의 특성과는 다른 물성을 보일 것으로 보고 있다.
러멜리 교수팀의 이번 연구성과는 세계 최고의 과학저널로 꼽히는 '사이언스' 3월 14일자에 게재됐다.