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공업화학 전망, 제23권 제5호, 2020
Basel대 연구팀:
전자 및 양자 컴퓨팅을 위해 질소 도핑된 다공성 그래핀 리본 개발
그래핀은 벌집 구조로 배열된 단일 탄소 원자 층으로 구성된다. 이 재료는 해당 재료에 대한 기초 연구 뿐만 아니라 뛰어난 전기 전도성과 강도 및 강성을 포함해 고유한 특성에 따른 다양한 응용 분야에서도 많 은 관심을 받고 있다. 전 세계의 연구 그룹은 결정 격자의 탄소 원자를 다른 종의 원자로 대체하여 그래핀 의 특성을 더욱 확장시키려는 노력을 기울이고 있다. 뿐만 아니라 전기적 및 자기적 특성은 격자에서의 기 공 형성에 의해 변형될 수 있다.
현재 바젤 대학의 물리학자 에른스트 메이어(Ernst Meyer) 교수와 베른 대학의 화학자 시샤 리우 (Shi-Xia Liu) 박사가 이끄는 연구팀은 결정 격자에 주기적인 기공과 규칙적인 패턴의 질소 원자를 모두 포함하는 그래핀 리본을 최초로 생산하는데 성공했다. 이 새로운 재료의 구조는 사다리 형태와 비슷하며, 각 링에는 두 개의 질소 원자를 포함하고 있다. 이러한 다공성의 질소 함유 그래핀 리본을 합성하기 위해 연구진은 개별 구성요소를 진공 상태의 은 표면에서 단계적으로 가열하였다. 리본의 형태는 최대 220도의 온도에서 형성되었으며, 원자 현미경을 통해 연구원들은 각 합성 단계를 모니터링 할 뿐만 아니라 분자의 완벽한 사다리 구조와 안전성을 확인하였다.
스캐닝 터널링 현미경(scanning tunneling microscopy)을 사용하여 바젤 대학교 물리학과 스위스나노 과학 연구소(SNI)의 과학자들은 새롭게 합성된 그래핀 리본이 그래핀과 다르게 반도체로 작용한다는 사실 을 확인하였다. 베른 대학과 워릭 대학의 연구 동료들은 전자적 특성에 대한 이론적 계산을 수행하여 이러 한 결과를 확인하였다. 연구의 첫 번째 저자인 Rémy Pawlak 박사는 “반도체의 특성은 전도도를 구체적으 로 조절할 수 있기 때문에 전자 기기의 잠재적 응용에 필수적이다.”고 말했다.
결정 격자 내부에서 고농도의 질소 원자가 자기장의 영향을 받을 때 그래핀 리본이 자화되므로, Ernst Meyer는 “이러한 다공성의 질소 도핑 그래핀 리본은 특별한 자기적 특성을 보일 것으로 기대한다. 향후에, 리본은 양자 컴퓨터 분야에 응용될 수도 있다. ”고 말했다.
연구성과는 미국화학회의 미국화학회지(J. Am. Chem. Soc.) 온라인판에 게재되었다(Journal of the American Chemical Society, 2020; DOI: 10.1021/jacs.0c03946).
Figure. 다공성 N-GNR의 생성을 위한 계층적 울만 커플링 반응: (a) TBTBP 전구체의 구조;
