IBM, 상온 액체 환경에서 2D 소재 최초 원자 분해능 이미징 달성

빈니히-로러 나노기술센터 무소음 실험실에서 C₆₀ 기능화 금속 STM 프로브로 2D 층상 소재 특성을 조사하는 피터 니르말라지. (출처: Marcel Begert, IBM Research–Zurich)

노벨상 수상자 게르트 비니히와 하인리히 로러가 주사 터널링 현미경을 발명한 지 35년 후, IBM 취리히 과학자들이 액체 환경에서 원자 단위 이미징의 또 다른 이정표를 달성했습니다.

리머릭 대학, 로잔 연방공과대학, 매사추세츠 앰허스트 대학 연구자들과 협력하여, IBM 팀 멤버 피터 니르말라지, 베른트 고츠만, 하이케 리엘은 상온 액체에서 작동하는 견고한 분자 STM 프로브를 설계하고 시연하여 새로운 2차원 층상 소재 분석을 가능하게 했습니다.

이는 초고진공(UHV) 또는 극저온 환경으로 제한되었던 액체 매질에서 옹스트롬 단위 분해능을 가진 분자 STM 프로브의 최초 성공적 사용으로, 표준 실험실 조건에서 달성되었습니다.

이 연구 결과는 오늘 Nature Communications에 "액체에서 옹스트롬 단위 분석을 위한 견고한 분자 프로브"라는 제목으로 게재되었습니다.

분자 표면 과학과 액체상 주사 프로브 현미경 전문가인 피터와 이 돌파구에 대해 더 알아보기 위해 인터뷰했습니다.

논문에서 달성한 고분해능을 가능하게 한 프로브 설계의 어떤 요소가 핵심인가요?

피터 니르말라지: 비기능화 금 STM 프로브에서 팁을 단일 C₆₀ 분자로 화학적으로 종결시키는 것으로 전환했습니다. 이는 정점 반응성을 낮추고 소재로부터 얻을 수 있는 공간 정보를 풍부하게 합니다. 상온 액체에서 이러한 원자 수준 제어를 달성하는 것은 상당한 도전이었습니다.

일반적인 UHV 및 극저온 조건과 달리 표준 실험실 조건에서 이미징하는 것의 특수성은?

PN: 핵심 난제는 팁 정점 단일 분자의 안정성 유지입니다. 체리 꼭대기의 역전된 산을 상상해 보세요 – 이 스케일이 요구되는 민감도를 포착합니다. 극저온 조건은 변동을 억제하지만, 상온에서 분자는 에너지적으로 동적으로 활성 상태라 불안정해집니다. 우리 연구는 고밀도 액체가 고정된 분자의 운동을 감쇠시켜 섬세한 프로브를 안정화할 수 있음을 입증했습니다.

왼쪽부터: 풀러렌 종단 금 STM 프로브; 단일 원자 육각형 단일층 그래핀(탄소 격자 위치 강조); 선택적으로 분석 가능한 종이 있는 2D 이황화 몰리브덴 원자 구조.

세계경제포럼이 2D 소재를 2016년 10대 신흥 기술로 선정한 이후, 현실적 환경에서 원자 분해능으로 탐침하는 능력이 점점 더 중요해졌습니다. 주변 환경 호환성, 환경 견고성, 전자적 특성에 대한 정확한 지식은 박막 트랜지스터, 투명 및 유연 전자 제조사에 필수적입니다.

"우리 기술은 급성장하는 2D 소재군의 구조적·전자적 핑거프린팅을 더 빠르고 신뢰성 있게 가능하게 합니다."

—피터 니르말라지, IBM 리서치 과학자

최고 분해능과 실험적으로 까다로운 조건을 결합함으로써 2D 소재 기반 소자 엔지니어링에 직접 정보를 주는 귀중한 통찰을 얻습니다.

액체-고체 계면 이미징 발전을 위해 다음에 취해야 할 조치는?

PN: 다음 이정표는 아분자 분해능으로 단일 분자 요소를 분해하는 것입니다. 실험적·이론적으로 팁 고정 분자와 주변 액체 간 결합 메커니즘 이해를 심화하고, 분자의 전자적·구조적 영향이 공간 대비를 어떻게 향상시키는지 평가해야 합니다.

저자 소개: 밀리안 게러는 IBM 리서치 취리히의 여름 인턴으로, 과학자들을 인터뷰하며 그들의 작업과 동기를 배웁니다. 가을에 프린스턴 대학에서 컴퓨터 과학 학부 과정을 시작합니다.