DGIST, 그래핀 층 사이 ‘원격 무아레 변조’ 현상 규명

대구경북과학기술원(DGIST) 연구진이 직접 맞닿지 않은 그래핀 층 사이에서도 전자 상태가 변하는 새로운 현상을 실험으로 규명했다.DGIST에 따르면 화학물리학과 김영욱 교수 연구팀은 KAIST 조길영 교수 연구팀과 공동으로 한 층에서 형성된 무아레 효과가 직접 접촉하지 않은 다른 층의 전자 상태까지 변화시키는 ‘원격 무아레 변조’ 현상을 확인했다. 연구 결과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘ACS Nano’에 게재됐다.무아레는 서로 다른 무늬를 약간 어긋나게 겹쳤을 때 새로운 큰 무늬가 나타나는 현상이다. 그래핀과 같은 원자층 물질을 비틀어 쌓으면 무아레 초격자가 형성되며, 이는 전자의 움직임과 에너지 상태를 바꿀 수 있다.연구팀은 세 층의 그래핀을 약 5도씩 비틀어 쌓고, 가장 위쪽 그래핀만 육방정계 질화붕소(hBN)와 정렬한 소자를 제작했다. 이 구조에서는 위층에만 무아레가 형성되고 아래층에는 직접적인 무아레 구조가 생기지 않으며, 층 사이의 전자 이동도 크게 억제된다.전기적 특성을 측정한 결과, 무아레 구조가 없는 아래층 그래핀에서도 무아레의 영향을 받은 신호가 나타났다. hBN과 그래핀의 정렬 각도를 0도, 1도, 2도로 바꿔 무아레 주기를 조절하자 아래층의 신호도 이에 맞춰 변화했다.연구팀은 층별 전하 밀도 분석을 통해 위층의 무아레 퍼텐셜이 정전기적 상호작용을 통해 아래층의 전자 상태를 변화시킨다는 사실을 확인했다. KAIST 연구팀의 이론 분석도 실험 결과를 뒷받침했다.이번 연구는 무아레 구조를 만드는 층과 전자 상태를 조절하려는 층을 분리할 수 있다는 점에서 의미가 있다. 특정 층에 형성한 구조를 활용해 다른 층의 전자 상태를 제어하는 새로운 방식의 2차원 전자소자 개발 가능성을 제시했다.김영욱 교수는 “무아레 퍼텐셜이 만들어진 계면을 넘어 전자적으로 분리된 다른 층에도 영향을 미칠 수 있음을 보여준 결과”라며 “한 층의 무아레 구조를 설계해 떨어진 층의 전자 상태를 제어하는 새로운 방식의 2차원 전자소자 개발로 이어질 것으로 기대한다”고 말했다.한편 이번 연구에는 DGIST 김영욱 교수 연구실 출신 김도훈 박사후연구원(현 펜실베이니아주립대)과 최준식 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 연구는 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다.