2D 소재란 무엇인가요?
2D 소재는 원자 한두 개 두께의 결정입니다. 2004년 분리된 그래핀(2010년 노벨상)이 최초였습니다. 현재 수백 종이 존재합니다: 트랜지스터용 반도체 MoS₂, 완벽한 기판인 절연체 hBN, 조절 가능한 밴드갭을 가진 흑인(黑燐), 그리고 벌크 형태에서는 불가능한 특성을 가진 수많은 소재들이 있습니다.
왜 적층하나요? 원자 레고 블록처럼 서로 다른 2D 소재를 층층이 쌓으면, 맞춤형 특성을 가진 반데르발스 이종 구조를 만들 수 있습니다. 두 그래핀 층을 '매직 앵글'(1.1°)로 비틀면 초전도체가 됩니다. 가능성은 무한합니다.
📖 심층 분석
비유 1
각 2D 재료를 단일 LEGO 벽돌로 상상해 보십시오. 그래핀은 견고한 베이스 플레이트, MoS2는 전자 부품, hBN은 매끄러운 절연 스페이서입니다. LEGO 조각을 결합하여 상상하는 모든 것을 만드는 것처럼 사용자 정의 속성이 있는 장치를 순서에 관계없이 쌓아보세요.
비유 2
벌크 크리스탈은 약한 힘에 의해 결합된 두꺼운 카드 덱과 같습니다. 그래핀 분리는 카드 한 장을 조심스럽게 벗겨내는 것과 같았습니다. 즉, 하나의 카드(원자 두께 시트)에는 전체 데크에서 결코 보여주지 않은 특성이 있습니다. 각 카드 레이어는 섞이거나 뒤틀거나 다른 덱의 카드와 결합할 수 있습니다.
🎯 시뮬레이터 팁
초보자
그래핀으로 시작하고 시작을 눌러 전자 흐름을 확인하세요. MoS2로 전환하여 반도체가 어떻게 다르게 동작하는지 확인해보세요. 밴드 갭이 나타나는지 확인하세요.
중급자
n형 또는 p형 도핑을 추가하고 캐리어 동작을 관찰합니다. 이중층 그래핀에 전기장을 적용하여 밴드 갭을 엽니다. 이는 실제 연구의 핵심 기술입니다.
전문가
마법의 각도 체계를 발견하려면 2층의 그래핀으로 비틀림 각도를 1.1°로 설정하세요. 플랫 밴드가 형성됨에 따라 밴드 갭이 붕괴되는 것을 관찰하십시오. 이것이 뒤틀린 이중층 그래핀에서 초전도성이 나타나는 방식입니다.
📚 용어집
🏆 핵심 인물
Andre Geim & Konstantin Novoselov (2004)
스카치 테이프 방법을 사용하여 맨체스터에서 분리된 그래핀, 2010년 노벨 물리학상
Pablo Jarillo-Herrero (2018)
마법의 각도로 뒤틀린 이중층 그래핀 초전도성을 발견한 MIT 물리학자
James Hone (2008)
지금까지 테스트된 물질 중 가장 강한 물질인 그래핀의 고유 강도를 측정한 컬럼비아 연구원
Feng Wang (2014)
반 데르 발스 이종 구조의 광학 및 전자 특성을 연구하는 UC Berkeley 물리학자
Andrei Bernevig (2019)
뒤틀린 이중층 그래핀의 위상학적 특성을 예측한 프린스턴 이론가
🎓 학습 자료
- Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films [paper]
노벨상 수상 그래핀 분리 논문(Science, 2004) - Unconventional superconductivity in magic-angle graphene [paper]
마법의 각도로 뒤틀린 이중층 그래핀의 초전도성 발견(Nature, 2018) - 2D Materials Database [article]
연구자를 위한 2D 재료 특성의 전산 데이터베이스 - Graphene Flagship [article]
실험실에서 시장까지 2D 재료 연구를 발전시키는 €10억 EU 이니셔티브