국내 연구진이 미래의 전자소자로 주목받는 저차원(1~2차원)계 신물질의 양자물성을 정확히 측정하는데 필요한 기반 기술을 개발했다. 

한국표준과학연구원 양자측정센터의 정수용 박사와 박희철 기초과학연구원 복잡계이론물리 연구단의 박희철 박사 공동 연구팀은 박막형태의 그래핀, 육방정질화붕소, 흑연을 겹겹이 쌓은 후 전자터널링분광법¹⁾을 이용해 그래핀의 양자전기물성을 고정밀도로 측정하는 기술을 개발하였다.

1) 전자터널링분광법: 양자역학적 성질인 전자터널링 현상을 이용해 에너지 변화에 따른 전자상태밀도(양자축전용량) 변화량을 정밀하게 측정하는 계측 방법

그동안 실리콘과 같은 3차원 물질이 전자소자로 사용되었다면 최근에는 그래핀, 전이금속찰코제나이드²⁾ 등 3차원 물질과 다른 물성을 보유한 2차원 물질이 주목 받고 있다. 또한 2차원계 박막 물질들을 인위적으로 결합시켜 그동안 존재하지 않았던 전기, 광학, 열 물성을 보유한 신개념 나노소자를 만드는 연구도 활발히 진행되고 있다.

2) 전이금속찰코제나이드(TMDC): 전이금속(몰리브덴, 텅스텐, 나이오븀 등)과 찰코젠(황, 텔레륨, 셀레늄)원소가 2차원계 박막형태로 결합되어 있는 단결정 물질. 도체, 반도체, 초전도성질과 같은 다양한 물성을 보유하고 있어 차세대 전기, 광학소재 물질로 각광 받음

이에 따라 2차원계 물질의 복합 물성에 관한 기초연구 및 고정밀 측정기술 개발에 대한 필요성이 대두되었다. 하지만 기존의 터널링분광법 측정기술은 터널링 간극으로 사용되는 물질(진공, 산화물)이 다양한 환경적 요소에 불안정하게 반응하고, 2차원계 소자구조의 물리적 한계로 정확한 양자전기물성 측정이 어려웠다.

이에 연구팀은 화학적, 물리적으로 안정적인 육방형질화붕소 박막과 이차원 단결정 흑연의 복합구조로 구성된 고성능 나노소자를 제작한 뒤, 전자터널링분광법을 이용해 단일막 및 이중막 그래핀에 대한 양자전기물성을 정확하게 측정하는데 성공했다.

이번 연구 성과는 소자제작기술과 측정기술의 최적화를 통해 전자터널링분광법의 정밀도를 극대화시켰으며, 개발된 측정법을 활용해 극저온·고자기장 조건에서 그래핀 양자축전용량을 고정밀도로 측정하는 것을 가능하게 했다.

정수용 KRISS 양자측정센터 박사는 "이번에 개발된 이차원 복합구조 공정기술과 전자터널링분광법을 이용한 양자전기물성 측정기술은 응용분야가 광범위해 시연된 그래핀 물성측정 이외의 다양한 저차원 신물질의 양자전기물성 측정에 손쉽게 적용할 수 있다"고 말했다.