[신기술소개] 홍콩시립대(City University of Hong Kong): 차세대 마이크로 전자공학 위한 스트레칭 다이아몬드 개발

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홍콩시립대(City University of Hong Kong):

차세대 마이크로 전자공학 위한 스트레칭 다이아몬드 개발

최근 홍콩 시립대학(CUHK)이 이끄는 공동 연구팀은 나노 기계적 접근 방식을 통해 미세 가공된 다이아 몬드 어레이의 크고 균일한 인장탄성변형을 시연해, 마이크로 전자공학, 광학 및 양자정보기술에 사용 가 능한 ‘변형 다이아몬드(Strained diamond)’의 잠재력을 보여주었다.

본 연구는 홍콩시립대학 기계공학과의 Lu Yang 교수와 MIT (Massachusetts Institute of Technology) 및 HIT (Harbin Institute of Technology)의 공동 연구팀이 함께 진행해, Science에 “마이크로 가공된 다 이아몬드에서 크고 균일한 인장탄성의 달성(Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond)”에 대해 발표했다.

Lu 교수는 “인장 실험을 통해 밝혀진 다이아몬드의 크고 균일한 탄성과 미세 가공된 다이아몬드 구조의

‘깊은 탄성 변형 공학’을 통해 새로운 전자 기기의 개발 가능성을 보여준다.”고 평했다. 또한, Lu 교수는

“다이아몬드는 높은 열전도율, 전하 캐리어 이동성, 항복 강도 및 넓은 밴드갭(Bandgap)으로 인해 고성능 전자 및 광자 재료로 간주되어, 고전력/고주파 장치 작동을 가능케 한다”고 했다.

그러나 다이아몬드의 큰 밴드 갭, 높은 경도와 단단한 결정은 “도핑”을 어렵게 하여 전자 및 광전자 장 치로서 다이아몬드의 산업적 응용을 방해하므로, 격자 변형을 적용하는 “변형 공학”을 시도하였다. 예컨대,

Figure. 나노 기계적 접근을 통해 미세 가공된 나노 다이아몬드 배열의 [101] 방향에 따른 하중-하역 인장 실험.

(A~E) 인장 변형 진폭 증가와 전체 언로드가 있는 다이아몬드 브릿지 샘플의 탄성 하중-하역 인장 변형. (F) (D)에서 다이아몬드 브리지 샘플의 임계 형상을 재현과 길이 방향을 따라 탄성 변형 분포를 보여주는 FEM 시뮬레이션. (G) 다중 사이클 부하-하역 테스트에서 공칭 응력-변형 곡선(I, 변형률 4.8%; II, 변형률 6.8%; III, 변형률 7.5%). (H) 다이아몬드 배열 샘플의 인장 변형. (I-J) 완전 회복과 함께 최대 5.8 % 인장 변형을 나타내는 [101] 지향 다이아몬드 배열의 탄성

하중-하역 변형. (K) (I)에서 다이아몬드 배열 샘플의 임계 형상 재현 FEM 시뮬레이션.

KIC News, Volume 24, No. 1, 2021

KIC News, Volume 24, No. 1, 2021 49

2018년 Lu 교수 연구팀은 나노 스케일 다이아몬드의 국소 변형으로 인한 탄력적인 변형과 물리적 변화가 가능함을 발견했고, 이를 바탕으로 기능성 다이아몬드 소자 개발에 응용하였다.

Lu 교수 연구팀은 단결정 다이아몬드 샘플을 미세 가공후, 약 1 μm ⨉ 300 nm의 다이아몬드 브릿지 를 제작하였고, 전자 현미경 내에서 단축 연신되었다. 정량적 인장 시험에서 다이아몬드 브릿지는 국부적 영역에서 굽힘 변형되는 것이 아니라 시편의 전체 섹션에 걸쳐 약 7.5% 변형의 매우 균일하고 큰 탄성 변 형을 보여주었다. ASTM (American Society for Testing and Materials) 표준을 사용해 샘플 형상을 최적 화할 경우, 이론적 수준에 가까운 최대 9.7%의 균일 인장 변형률을 달성했다.

이러한 탄성변형률 결과를 바탕으로, 연구팀은 DFT (밀도 함수 이론) 계산과 전자 에너지 손실 분광법 (electron energy-loss spectroscopy)을 수행해 다이아몬드 밴드갭의 인장 변형 증가에 따른 감소경향성 (최대 밴드갭 감소율: 약 9% 변형에서 5 eV → 3 eV)을 확인했다. 또한, 다른 결정 방향을 따라 9%보다 큰 인장 변형이 나타날 경우 밴드갭으로 간접에서 직접으로 변경될 수 있음을 보여주었다. 이러한 나노 기 계적 접근 방식을 통해 연구팀은 다이아몬드의 밴드 구조가 변경될 수 있음을 입증했으며, 미세 가공된 다 이아몬드가 탄성 변형 엔지니어링을 통해 마이크로/나노 전기 기계 시스템(MEMS/NEMS)에 응용할 수 있 음을 보여주었다.

연구성과는 AAAS 출판 그룹의 Science 온라인판에 게재되었다(Science, 2021, DOI: 10.1126/science.

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출처: ScienceDaily (December 31, 2020) (https://www.sciencedaily.com/releases/2020/12/201231141509.htm)

작성: 손 희 상 (광운대학교)