독립적인 구조를 갖는 2차원 구조의 금속을 합성해 새로운 철이 개발됐다. 전기, 광학 분야에 상당한 파급효과를 미칠 것으로 예상된다.
미래창조과학부와 기초과학연구원(IBS)가 나노구조물리연구단(이영희 단장)의 마크 러멜리(Mark H. Rummeli) 그룹리더팀이 그래핀에 형성된 기공의 내부에 철 원자를 이동시켜 2차원의 단일층 금속박막을 만드는데 성공했다고 14일 밝혔다.
연구진은 투과형 전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscope)을 이용해 그래핀에 기공을 만든 뒤 철 원자를 이동시켜 구멍을 메웠고, 이를 통해 철로 구성된 단일층 막을 만들었다.
철 원자막은 지금까지 알려진 원자 간 간격과는 현저히 차이가 나며 3차원 구조(bulk)와는 다른 물성을 갖는다. 3차원 구조를 지닌 흑연층간의 인력은 비교적 약하기 때문에 각 층이 쉽게 분리된다. 분리된 단일 흑연층은 2차원 구조의 물질인 ‘그래핀’으로 불린다. 철 원자의 경우는 보통 그래핀과 같은 면상 구조가 아닌 3차원 구조를 형성한다. 이러한 금속 원자는 원자 상호간의 결합에 관여하는 힘이 그래핀의 층간에 작용하는 힘보다 월등히 크다. 이른바 ‘공유결합’으로 알려져 있어 2차원 구조를 갖는 것이 사실상 불가능하다.
개발된 독립된(free-standing) 형태의 2차원 구조의 금속은 기존 3차원 구조 물질보다 큰 폭으로 향상된 물성을 갖는다. 연구진은 기존 자기기록(magnetic recording)에 쓰이던 물질 관련 연구에 큰 파급효과를 미칠 것으로 내다봤다. 광학적, 전기적 물성도 기존 3차원 구조의 특성과는 다른 물성을 나타낼 것으로 예상했다.
마크 러멜리 IBS 나노구조물리연구단 그룹리더는 “이번 성과는 3차원 구조로만 존재하던 금속 원자 배열을 독립된 2차원 구조로 구현했다는 것에 의의가 있다”며 “본 원자의 배열에서 이론적 결과 치로 예상되는 급격한 자기 모멘트(magnetic moment) 향상은 향후 전기·광학·자기 연구와 응용에 상당한 파급효과를 미치게 될 것”이라고 강조했다.
연구성과는 미국과학진흥협회(AAAS)에서 발간하는 과학저널 사이언스에 14일자로 게재됐다.
전지연기자 now21@etnews.com
