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연세대학교 물리학과 김관표 교수가 이끈 국제 공동 연구팀은 사면체 구조의 결합 방식을 제어한 1차원 게르마늄(Ge)-황(S) 구조체를 최초로 합성해 학계에 보고했다.

산화규소(SiO2)는 규소-산소 사면체(tetrahedral)가 서로 연결된 구조를 갖고 있으며, 사면체 사이의 결합 방식 변화에 따라 다양한 3차원의 구조체를 형성할 수 있다. 결합이 규칙적이면 석영 결정(crystal)이 형성되며, 결합이 매우 불규칙한 비정질(amorphous)일 때는 일상생활에서 많이 사용되는 유리(glass)가 된다. 즉, 사면체 결합 방식을 제어하고 물성 변화를 이해하는 것은 신물질 개발로 이어질 수 있다.

연세대 김관표 교수 연구팀은 UC버클리 알렉스 제틀(Alex Zettl) 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 나노튜브 합성 템플릿을 이용해 사면체 결합 방식을 제어한 게르마늄 칼코겐화합물 반도체 1차원 체인 구조체를 합성했다. 게르마늄 칼코겐화합물 역시 산화규소와 비슷한 원리로 사면체 사이 결합이 형성되며, 이에 따라 다양한 구조체를 형성할 수 있는 물질이다.

▲ (왼쪽부터) 연세대 이양진 박사, UC버클리 최영우 박사, 연세대 김관표 교수

국제 공동 연구팀은 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 및 연세대 기초과학연구원 나노의학연구단의 초고분해능 투과전자현미경을 이용해 새로운 물질 구조 분석에 성공했다. 연구팀은 원자 단위 이미징을 통해 1 나노미터(㎚) 미만의 두께를 갖는, 세상에서 가장 얇은 1차원 게르마늄 칼코겐화합물 단일 체인 구조를 밝혀냈다.

이와 더불어 UC버클리 물리학과 마빈 코헨(Marvin Cohen) 교수 연구팀은 제일원리 계산을 수행해 나노튜브의 직경에 따라 게르마늄 칼코겐화합물 사면체 결합 구조의 안정성이 달라짐을 규명했다.

또한, 국제 공동 연구팀은 이황화게르마늄(GeS2)과 이셀렌화게르마늄(GeSe2)의 조성비를 조절한 1차원 합금 체인 구조를 합성했고, 조성비 변화를 통한 밴드갭 조절이 가능함을 확인했다.

연세대 연구팀은 “본 연구는 원자 수준에서 사면체 구조의 결합 방식을 제어할 수 있음을 실험적으로 보였을 뿐만 아니라, 나노튜브 합성 템플릿을 이용한 새로운 저차원 나노물질에 대한 탐구 가능성이 기대된다”고 본 연구의 의미를 설명했다.

연세대 물리학과 이양진 박사와 UC버클리 물리학과 박사후연구원 최영우 박사가 공동 제1저자로 주도한 본 연구 성과는 나노 분야 세계적 학술지인 ‘ACS Nano(IF 18.027)’에 4월 26일 온라인 게재됐으며, 한국연구재단의 세종과학펠로우십, 중견연구자지원사업, 선도연구지원사업(반데르발스물질연구센터), 기초과학연구원 나노의학연구단 및 연세시그니처 연구클러스터사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

논문명: Tuning the Sharing Modes and Composition in a Tetrahedral GeX2 (X = S, Se) System via One-Dimensional Confinement