왕건욱 교수팀-DGIST-서울대 연구진 공동 연구결과 나노레터스 실려
단 분자막(1 nm)의 휘어지는 정도와 분자 사이의 상호작용에 의한 분자 접합의 전하 흐름 제어 및 원리 규명
고려대학교 KU-KIST 융합대학원 왕건욱 교수 연구팀은 대구경북과학기술원 (DGIST) 장윤희 교수, 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 이철호 교수, 서울대학교 이탁희 교수와 함께 전도성 원자힘 현미경을 이용하여 분자의 휘어지는 정도에 따라 전하 수송을 제어할 수 있고 또한 분자와 분자사이의 상호작용에 의해 전하의 흐름이 제한될 수 있음을 규명했다.
과기정통부 한국연구재단, KU-KIST 과제, KU Future Research Grant의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 재료/나노 분야 최고 권위의 학술지중 하나인 나노레터스 (Nano Letters, impact factor : 12.712) 06월 15일자에 게재됐다.
※ 논문명 : Correlational Effects of the Molecular-Tilt Configuration and the Intermolecular van der Waals Interaction on the Charge Transport in the Molecular Junction
※ 저자 정보 : 신재호 (고려대학교, 제1저자), 왕건욱 (고려대학교, 교신저자), 장윤희 (DGIST, 교신저자), 구경열 (DGIST), 양승훈, 이철호 (고려대학교), 이탁희 (서울대학교) 포함 총 7명
이 연구결과는 분자전자학 분야에서 분자의 휘어지는 정도에 따른 분자의 에너지 준위 변화, 분자 간의 상호작용, 분자의 접합 정도 변화의 상관관계를 규명한 논문으로 평가 받는다.
본 연구팀은 아주 작은 영역내의 전기적 특성을 측정할 수 있는 전도성 원자힘 현미경을 사용하여 분자의 휘어짐 정도에 따라 전기가 통하기 어려운 물체인 절연체를 통과하는 전자가 느끼는 분자의 터널링 장벽을 효과적으로 낮췄다. 이러한 사실은 특정 전압에서 전하흐름이 다이렉트 터널링에서 전계방출을 통한 전하흐름으로 변하게 되는 전압이 낮아지는 것을 통해 확인하였다. 이어 분자의 휘어짐 정도에 따라 분자와 그래핀 (Graphene)의 상호작용에 의해 접합 정도가 강해졌다는 사실을 확인하였다. 이는 분자접합 구조가 분자의 휨 정도에 따라 비대칭성에서 대칭성으로 변할 수 있음을 확인하였다. 또, 휘어짐 정도에 따라 분자와 분자 사이의 거리가 가까워져서 분자와 분자 사이의 상호작용인 반 데르 발스 힘이 강화되어서 탐침이 누르는 힘에 따른 분자의 휨 정도가 제한되는 것을 성공적으로 관찰하였다.
[용 어 설 명]
1. 분자전자학
◯ 1974 년 이론적으로 제안되었던 “Molecular electronics” 분야는 단 분자 (1-2 nm)를 이용한 분자소자가 초고집적, 저비용, 저전력 소재/소자 특징과 함께 현재의 반도체 소자가 가지는 역할 대체 혹은 보안을 할 수 있다는 가능성으로 각광 받고 있으며, 여러 기능성 분자를 사용한 다이오드, 메모리, 트렌지스터가 제작되어 연구되고 있다. 하지만 단분자막 층과 분자사이의 상호작용에 대한 전하수송의 근본적인 이해와 규명은 아직까지 명확하지 않다.
2. 그래핀 (Graphene)
◯ 연필심 등에 사용되는 흑연의 한 층을 그래핀 (Graphene)이라 부른다. 이는 0.2nm의 두께로 물리적, 화학적 안정성이 매우 높다. 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 열전도성은 다이아몬드보다 2배이상 열 전도성이 높다. 또한, 빛을 대부분 통과시키기 때문에 투명하며 신축성도 매우 뛰어나다.
3. 반 데르 발스 힘 (van der Waals force)
◯ 반데르발스 힘은 공유결합이나 이온결합과는 다르게 전자를 공유하거나 전자의 과부족에 의한 힘이 아닌 원자, 분자, 그리고 표면간의 거리에 의한 상호작용에 의한 힘을 말한다. 평형 거리보다 가까워지면 척력, 평형 거리보다 멀어지면 인력이 발생하게 된다.
4. 원자힘 현미경
◯ 원자힘 현미경은 물질 표면을 원자나 분자와 상호작용하는 탐침으로 훑으면서 이때 일어나는 상호작용과 변화를 광학 신호로 측정하여 사람이 볼 수 있는 영상으로 재현해주는 현미경이다.
[ 그 림 설 명 ]
[그림 1] (a) 전도성 원자힘 현미경을 이용한 분자 접합 구조의 개략도 및 분자의 말단 구조가 다른 두 분자의 모형도
[그림 2] 분자의 전기적 특성 측정실험 결과
(b) 누르는 힘에 따른 전류-전압 특성 변화, (c) 누르는 힘에 따른 에너지 장벽 높이 변화
커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)
