▲ 산소(붉은색)가 흑린 표면에 흡착된 후 전자가 이동되어 산화가 일어나고 그와 동시에 수분이 흡착되어 성능저하가 발생하는 흑린의 표면 변화과정

국내 연구진이 흑린 응용의 가장 큰 걸림돌인 성능저하 원리를 규명해 향후 차세대 2차원 반도체 소자로의 활용이 기대되고 있다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 이연진 연세대 교수·김태경 한국외대 교수 공동 연구팀이 연구팀은 흑린의 성능저하를 결정하는 핵심 물리량이 전자 밀도임을 규명하고, 이를 제어해 성능저하를 방지할 수 있음을 밝혀 해결책을 제시했다고 11일 밝혔다.

흑린은 독특한 원자 배열을 가진 인(P) 원소만으로 이루어진 물질이다. 그래핀처럼 2차원 박리가 가능하며, 전기적·광학적 성질이 매우 우수하다. 전류 제어가 어려운 그래핀과 달리 흑린은 밴드갭을 조절해 전류 제어가 가능하므로 전자소자 제작이 용이하다는 장점도 있다. 그러나 공기 중 산소와 수분에 취약한 불안정성으로 인해 물성 연구와 응용에 어려움을 겪고 있다.

흑린은 두께에 따라 밴드갭이 변화하는데, 연구팀은 이 독특한 물리적 성질이 성능저하와 깊은 연관성이 있을 것으로 예상했다. 따라서 공기 중 산소, 수분과 반응해 흑린의 표면 성질이 변화함을 원자간력 현미경으로 정밀하게 측정했다.

그 결과, 일반적인 예상과는 반대로 여덟 층 이상의 두꺼운 흑린이 두 층의 얇은 흑린보다 빠른 성능저하가 발생했다. 연구팀은 이를 설명할 수 있는 이론적 모델을 개발했는데 흑린이 두꺼울수록 밴드갭이 작아지고 전자 밀도는 커지며, 이로써 산소·수분과의 화학반응이 가속됐다.

김태경 교수는 “성능저하 원인을 설명하는 이론적 모델은 흑린에만 국한되는 모델이 아니며, 다른 2차원 반도체에 적용시킬 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 설명했다. 이연진 교수는 “향후 흑린의 표면 전자밀도를 제어하여 전기적 특성뿐 아니라 안정성 또한 향상시킨 전자소자를 제작할 계획”이라고 후속 연구 계획을 밝혔다.

한편 이 연구는 국제학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 내부표지 논문으로 선정되어 2019년 12호(3월11일)에 출판됐다.