그래핀을 위한 고품질 양극성 전하이동 도핑 기술 개발

공과대학 신소재공학과 최민섭 교수, 미국 컬럼비아대 김세윤(Brian Kim) 박사, Aaron J. Sternbach 박사, Dmitri N. Basov 교수 연구팀이 2차원 산화막 형성을 통한 그래핀의 양극성 전하이동(ambipolar charge-transfer) 도핑 기술을 개발했다.

이번 연구 결과는 재료 분야 최고 권위지인 ‘Nature Materials’(IF: 47.656, 상위 1% 이내)에 3월 30일자로 온라인 게재됐다. 이번 연구는 최민섭 교수가 공동 제1저자로 참여했다.(논문 제목: Ambipolar charge-transfer graphene plasmonic cavities)

최근 그래핀과 같은 2차원 소재가 차세대 첨단 소재로 각광 받고 있지만, 원자층이 쉽게 손상될 가능성으로 인해 기존의 이온주입법과 같은 도핑 방법을 활용할 수 없다는 한계점이 있다. 

이에 공동 연구팀은 그래핀 위에 전이금속디칼코게나이드(transition metal dichalcogenides)를 적층하고, UV 오존으로 산화막을 형성함으로써 그래핀에 손상을 주지 않고 고농도로 도핑할 수 있는 기술을 개발했다. 

최초로 ‘WSe2’와 ‘ZrSe2’를 산화공정을 통해 산화막을 형성해 그래핀의 양극성 전하이동 도핑 효과를 확인했으며, 다양한 반도체 및 절연층을 중간층으로 삽입해 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton)을 관찰하고, 이의 파장을 효과적으로 조절했다. 

또한, 나노임프린팅 기술을 통해 원하는 모양으로 약 100nm의 매우 작은 플라즈몬 cavities 형성과 whispering-gallery 모드를 관찰함으로써 그 창의성과 기술력을 입증했다.

최민섭 교수는 “이번에 개발한 도핑 기술은 그래핀뿐만 아니라 다양한 나노 소재에 적용될 수 있는 범용적이고 고품질의 도핑 기술로 향후 다양한 나노전자 및 나노플라즈모닉 소자 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

□ 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01520-5