정전기적 극성표면을 이용한 그래핀의 밴드 엔지니어링 연구

Abstract

본 학위논문에서는 극성표면을 이용하여 그래핀을 기반으로 한 트랜지스터에서 필요로 하는 밴드 엔지니어링에 관하여 연구를 수행하였습니다. 그래핀의 트랜지스터는 그래핀의 밴드갭이 없는 한계를 극복하기 위해서 크게 두가지 방향으로 연구가 되어왔고, 이는 서로 다른 밴드 엔지니어링의 방법을 필요로 합니다. 첫 번재 방향은 기존의 전계효과 트랜지스터의 아키텍처를 활용하는 것이고, 이를 위해서는 그래핀이 채널물질로 활용되어야 하기 때문에 밴드갭을 여는 과정이 필요합니다. 반면, 두 번째 방향인 그래핀의 밴드갭을 열지 않고 다른 반도체, 부도체 물질과 결합해 스위칭 특성을 만드는 대안 트랜지스터를 만들기 위해서는 정교한 밴드정렬이 필요합니다. 본 연구에서는 극성표면에서 일어나는 독특한 물리현상들을 이용하여 그래핀 트랜지스터에서 필요로 하는 밴드엔지니어링을 연구하였습니다.

연구대상으로 삼은 첫번째 시스템은 그래핀-MgO (111)입니다. MgO (111) 표면은 그 단순한 구조와 다양한 표면상 덕분에 극성표면연구에서 가장 널리 사용된 모델입니다. MgO (111)의 표면상 중에서 가장 안정한 상인 octopolar surface을 이용하여 화학결합의 패턴을 만들어 트랜지스터에서 필요로 하는 0.5 eV의 밴드갭을 만들어 냈습니다. 이는 기존의 밴드갭을 여는 방법들이 가진 단점인 공정복잡성과 전도성저하, 인터밴딩 등을 극복해낸 새로운 방법입니다. 또한, 자성을 띄는 상인 surface를 이용하여 한쪽스핀으로는 부도체의 밴드갭, 다른스핀으로는 반도체의 밴드갭을 가진 스핀-비대칭의 반도체를 만들어낼 수 있었습니다. 이는 기존에는 알려지지 않은 새로운 형태의 밴드구조로서, 스핀트로닉스의 응용가능성으로 만흥ㄴ 주목을 받았습니다. 두번째 극성표면으로 다루어진 시스템은 최근 새롭게 발견된 2차원 물질인 한쪽표면만 불소로 기능화된 C4F입니다. 이 물질은 그래핀과 반데르발스 결합을 하기 때문에 이전과는 다른 양상의 계면효과를 보여주며, 이를 이용해서 정교한 밴드정렬에 응용할 수 있음을 밝혀냈고, 이는 기존의 극성표면에서는 관측되지 않은 새로운 물리현상이 있음을 알아냈습니다.

이처럼, 본 연구에서는 극성표면이 가지고 있는 독특한 물성과 그것이 유도하는 복원현상을 이용하여 그래핀 트랜지스터에서 필요로 하는 밴드 엔지니어링을 이루어냈습니다. 이 과정에서 기존과는 전혀 다른 물리적 현상을 발견하였고, 이것들이 그래핀의 밴드갭을 열거나, 스핀의존성을 부여하거나, 밴드정렬을 변화시키는데 매우 효과적이라는 것을 밝혀냈습니다. 이는 극성표면을 이용한 엔지니어링 방법이 매우 큰 잠재력이 있으며, 그래핀 관련 소자의 발전에 큰 기여를 할 수 있음을 의미합니다.