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…NICE, 제27권 제4호, 2009신기술 소개
[그림 1]과 같은 그라핀 나노리본(graphene nanoribbon)의 전기적 특성과 자기적 특성은 그라핀 나노리본의 모서리 형상에 의해 크게 영향을 받는다.
특히 준-금속(quasi-metallic)의 특성과 반도체적 특 성은 모서리의 원자 구조에 의해 제한된다. 이는 암체 어(armchair) 곡선이나 지그재그(zigzag) 형태의 모 서리 형상에서 발생하는 미세한 변형들이 그라핀의 뛰 어난 특성을 저하시킬 수 있기 때문이다. 현재 물리·
화학적인 방법으로 원자수준의 부드러운 모서리를 갖 는 그라핀을 만드는 것에는 한계가 있다. 이에 미국 MIT의 Mildred Dresselhaus 교수 연구팀은 지그재그 나 암체어 곡선 모서리에 열처리를 하여 나노리본의 모서리를 부드럽게 하는 새로운 방법을 개발했다.
이 기술은 결함이 있는 나노리분의 거친 모서리들 을 Joul heating 함으로써 원자적으로 부드러운 형태 로 변환시키는 효율적인 방법이다. 이 과정을 관찰하 기 위해서 고배율 투과전자현미경(high-resolution
transmission electron microscope, HRTEM)속에 매 달려 있는 그라핀 나노리본에 전위를 인가하였다[그 림 2]. 이때 1.6V 이하의 전위를 인가한 경우, 전자조 사(electron irradiation)에 의한 연쇄 효과(knock on effect)에 의해 탄소 원자는 주로 기화되고, 모서리는 Joul heating에 의해 원자들이 지그재그나 암체어 모 양을 구성하기 위해서 스스로 위치를 바꾸는 재배치 (reconstruction)가 일어난다. 그러나 1.6V 보다 높은 전위에서는 Joul heating에 의한 높은 온도로 인해 유 도된 원자들의 재배치 및 결정화(reconstruction- crystallization)현상이 선호된다[그림 3]. 또한 이 연 구진은 나노와이어의 전기적 성질은 모서리 구성에 크게 의존함도 밝혔다. 즉, 모서리가 지그재그일 때 나 노와이어는 금속성을 띠고, 암체어 모양을 가질 때 보 다 적은 전도성을 가진다는 것을 확인하였다. 아울러 이 연구진은 HRTEM으로 거친 모서리에서 부드러 운 모서리의 변환을 관찰함으로써 다양한 응용분야를 언급하였다. 원자적으로 부드러운 모서리를 가진 그 라핀 나노리본은 전자 장치를 포함하는 분야 뿐만 아
Graphene nanoribbon의 형상 제어
그림 1. 그라핀 나노리본의 형상을 보여주는 전자현미경 사진.
그림 2. 그라핀 나노리본의 형상 제어를 위한 실험장치의
개략도.
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 27, No. 4, 2009…
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힘탐침(force probe)은 압축되거나 늘려진 분자의복원력을 기반으로 반응속도의 추측을 가능하게 한다.
변형 에너지와는 달리 복원력에 기반을 둔 접근은 기 계적감지(mechanosensing)에 의한 아주 작은 대상 의 다양한 전환 현상에 대하여 분자의 정량적인 이해 를 용이하게 한다. 개념상으로 볼 때, 국부적인 반응은 복원력에 대하여 반응속도가 어떻게 변화하는지에 대 한 기본적인 통찰력을 제공하지만, 이런 반응들은 미 세한 힘탐침을 사용하여 체계적으로 연구하는 것이 어렵다.
최근 미국 Illinois 대학의 Roman Boulatov 교수 연 구팀은 분자침탐침(molecular force probe)을 이용하 여 국부적인 반응의 force spectroscopy를 어떻게 간 단화 할 수 있는지 제시하였고 이를 이용하여 국부적 인 반응의 화학기계적 속도론은 분자에 대한 분자힘 탐침으로 교체함으로써 보다 생산적인 연구가 가능함 을 밝혔다[그림 1]. 분자힘탐침은 단일 세포핵간의 거
리를 최소 500pN의 범위로 억제 함으로써 50pN 이하 의 증가분 내에서 조직적으로 변한다. 이 때, 관심 있 는 작용기인 기질을 혼합함으로써 복원력의 증가와 함께 동일한 마크로 사이클(macrocycle)의 시리즈가 합성된다. 분자힘탐침을 사용한 작용기의 활동도 (activity) 연구는 거대분자에 대해 국부적인 반응 해 결에 대한 본래의 과제뿐만 아니라, 활성화 변수 측정 의 제한을 제거함으로써, 분자힘탐침은 총체-평균 힘- 속도 데이터의 취득과 분석을 모두 간단화 할 수 있다.
두 개의 안정한 이성질체(isomer)를 갖는 stiff stilbene은 분자힘탐침으로 사용될 수 있는 유일한 물 질로 여겨진다[그림 1]. E stiff stilbene의 C6, C6’원 자를 연결하는 약 14개 또는 그보다 적은 원자들은 변 형된 마크로사이클을 생성한다. Z와 E 이성질체간 C6 과 C6’사이의 거리차이는 이성질체의 분리를 유발하 고, 아울러 약 40 nm 파장을 지닌 빛에 의한 광이성화 는 변형없는 Z 유사물들의 발광으로 변형 에너지가 니라 기초 물리학 실험에 중요한 부분을 차지한다. 예 를 들어, 그라핀 나노리본의 폭이 단지 몇 나노미터 이 하로 좁아지게 되면 자기현상이 발생하는 것 등이다.
이 연구진의 방법은 그라핀 나노리본 전자장치를 가능하게 만들고, 단지 이론적으로 예측되었던 그라 핀의 성질들에 대한 실험적 연구를 용이하게 한다. 또 한 더 부드러운 모서리를 가진 graphene nanoribbon 으로부터 실제 장치를 만들 계획을 가지고 있다. 이것 은 이 매력적인 물질의 보다 기초적 성질을 측정하는 데 일조할 수 있을 것으로 기대된다[Science, Vol.
323, p. 1701(2009)].
