꼬인 2D 소재 활용해 전자공학 혁신 주도

나노기술은 몇 나노미터(nm) 스케일에서 물질을 조작하는 것을 의미합니다. 맥락상 종이 한 장 두께가 약 100,000nm입니다. 이 스케일에서 나타나는 독특한 현상을 마스터함으로써 과학자들은 더 작고 빠르고 에너지 효율적인 장치를 개발할 수 있습니다.

IBM 리서치에서 정부 파트너 지원으로 연구자들은 스마트폰과 IoT 센서부터 인터넷을 구동하는 거대한 클라우드 데이터센터까지 전자공학 전체 스펙트럼에서 전력 밀도와 에너지 효율을 높이기 위해 나노스케일을 탐구합니다.

Figure 1: 0°~360° 회전 가능한 나노 크기 열쇠 모양 장치, 터널 전계효과 트랜지스터(TFET) 전류 제어 스위치로 기능.

한 선구적 노력은 스위스 국립과학재단 앰비치오네 프로그램 지원을 받는 IBM 취리히 연구소 엘라드 코렌 박사 팀이 이끕니다. 팀은 2차원(2D) 소재 적층의 기초 물리학을 조사하며 특히 그래핀에 초점을 맞춥니다.

그래핀의 예외적 전자적 특성은 미래 반도체와 양자 장치의 선두주자입니다. 두 동일한 그래핀 층이 정밀한 상대 각도로 적층되면 주기적 초격자를 형성하여 밴드갭을 열 수 있습니다. 이는 강력하고 에너지 효율적인 차세대 트랜지스터 제작을 위한 필수 단계입니다.

2016년 9월, 코렌과 동료들은 Nature Nanotechnology에 첫 결과를 발표했습니다. 원자 힘 현미경 팁을 사용해 층의 회전 정렬을 서브도 수준으로 제어하여 Figure 1에 표시된 열쇠 모양 장치를 제작했습니다.

이 장치는 360° 전체 회전 가능하며 TFET용 초정밀 스위치 역할을 합니다. 이 능력은 누설 전류 최소화와 전자 회로 전체 에너지 소비 감소에 중요합니다.

"회전 구성 제어에서 0.1° 미만 각도 분해능이라는 전례 없는 정확성을 달성해 기초 연구와 실용 장치 구현 모두를 가능하게 했습니다."라고 코렌은 말했습니다.

50mV 바이어스에서 연속 회전하는 레버 암으로 측정된 꼬인 흑연 나노구조 전류. 삽입도: 21.8°와 38.2° 상반각에서 이중층 그래핀 결합의 운동량 공간 표현.

적층 각도에 대한 정밀 제어로 엔지니어들은 전자적, 광학적, 열전기적, 전자기계적 특성 등 광범위한 물리적 특성을 맞춤화할 수 있어 과학과 기술 전반에 혁신적 소재의 길을 엽니다.

단일 결정 셀이 꼬이면 높은 자기 플럭스를 생성해 주기적 전위와 결합된 강한 자기장에서 전자 행동을 기술하는 호프슈타터 나비(이론적 패턴)가 발생합니다.

마찰은 나노스케일에서도 도전으로, 열, 마모, 에너지 손실을 생성할 수 있습니다. 그러나 2D 층상 시스템의 회전 불일치는 마찰을 극적으로 억제하는 초윤활 현상을 만듭니다.

"올바른 각도를 찾으면 층이 부드럽게 미끄러지며 사실상 마찰이 없습니다."라고 코렌은 설명했습니다.

이 발견들을 광범위한 연구 커뮤니티와 공유함으로써 코렌은 전자공학의 미래를 형성할 새로운 소재와 장치 개념에 영감을 주길 희망합니다.