공학적 결함으로 그래핀의 성능이 강화됨

노팅엄 대학교 화학과, 워릭 대학교 및 다이아몬드 광원(Diamond Light Source)의 과학자들은 아주피렌(Azupyrene)이라는 분자를 사용하여 그래핀 유사 필름을 성장시키는 단일 단계 접근 방식을 만들었습니다. 이 분자의 모양은 연구자들이 도입하고자 하는 결함 유형과 매우 유사합니다. 그들의 연구 결과는 최근에 발표되었습니다. 화학.

결함이 그래핀을 향상시킬 수 있는 이유

노팅엄 대학교 부교수이자 이번 연구의 주요 저자 중 한 명인 David Duncan은 다음과 같이 설명합니다. “우리의 연구는 그래핀을 만드는 새로운 방법을 탐구합니다. 이 초박형, 초강력 물질은 탄소 원자로 구성됩니다. 완벽한 그래핀은 놀랍지만 때로는 너무 완벽합니다. 그래핀은 다른 물질과 약하게 상호작용하며 반도체 산업에 필요한 중요한 전자 특성이 부족합니다.

“일반적으로 재료의 결함은 성능을 저하시키는 문제나 실수로 간주되며, 우리는 의도적으로 기능성을 추가하기 위해 이를 사용했습니다. 우리는 결함으로 인해 그래핀이 다른 재료에 더 “접착성”을 갖게 되어 촉매로서 더욱 유용해질 뿐만 아니라 센서에 사용하기 위해 다양한 가스를 감지하는 능력이 향상된다는 사실을 발견했습니다. 또한 결함은 반도체 산업에서 잠재적인 응용을 위해 그래핀의 전자 및 자기 특성을 변경할 수도 있습니다.”

Azupyrene을 사용하면 결함 형성을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

그래핀은 일반적으로 평평한 고리에 배열된 6개의 탄소 원자의 반복 패턴으로 구성됩니다. 이 연구에서 목표로 삼은 결함은 인접한 5개 및 7개의 원자 고리로 구성됩니다. Azupyrene은 자연적으로 이러한 유형의 불규칙한 고리 패턴을 포함하므로 이상적인 시작 분자가 됩니다. Azupyrene을 사용하여 그래핀 필름을 성장시킴으로써 팀은 이 특정 결함의 높은 농도를 달성했습니다. 성장 단계에서 온도를 조정함으로써 연구원들은 최종 재료에 얼마나 많은 결함이 나타나는지 미세 조정할 수 있었습니다.

맨체스터에 있는 그래핀 연구소(Graphene Institute)의 연구원들은 또한 생성된 그래핀이 공학적 결함을 그대로 유지하면서 다양한 표면으로 전사될 수 있음을 보여주었습니다. 이는 이러한 필름을 실제 장치에 통합하기 위한 중요한 단계입니다.

국제 협력 및 고급 도구를 통해 원자적 행동이 밝혀짐

이 프로젝트는 광범위한 고급 기술과 영국, 독일, 스웨덴의 참여 팀에 의존했습니다. 연구원들은 영국 국가 슈퍼컴퓨터 ARCHER2와 함께 옥스퍼드셔의 Diamond Light Source와 스웨덴의 MAX IV에서 고해상도 현미경 및 분광학을 사용했습니다. 이러한 도구를 통해 그들은 결함이 있는 그래핀의 원자 구조를 조사하고, 가공된 결함의 존재를 확인하고, 이것이 재료의 화학적 및 전자적 거동에 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있었습니다.

워릭 대학교 화학과의 라인하르트 마우러(Reinhard Maurer) 교수는 다음과 같이 말합니다. “시작 분자와 성장 조건을 신중하게 선택함으로써 우리는 결함이 보다 제어된 방식으로 도입될 수 있는 그래핀을 성장시키는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 우리는 원자 규모 이미징, 분광학 및 컴퓨터 시뮬레이션을 결합하여 이러한 불완전성의 특징을 특성화합니다.”

Diamond Light Source의 Tien-Lin Lee 박사는 “이 연구는 국제 협력과 다양한 과학적 전문지식의 통합을 통해 무엇을 달성할 수 있는지를 보여주는 증거입니다.”라고 말했습니다. “영국, 독일, 스웨덴의 기관 전반에 걸쳐 고급 현미경, 분광학 및 전산 모델링을 결합함으로써 우리는 단일 기술이나 팀만으로는 달성할 수 없었던 그래핀 결함 형성 뒤에 있는 원자 규모 메커니즘을 밝힐 수 있었습니다.”