물리학과 첨단기술 October 2008 40 그래핀 손 영 우 저자약력 손영우 교수는 서울대 물리학과에서 응집물리학 이론으로 2004년 박사학 위를 받은 후, 미국 UC Berkeley 물리학과 연구원, 건국대학교 물리학과 조교수를 거쳐, 2008년 9월부터 고등과학원 계산과학부 교수로 재직 중이 다. ([email protected]) 그림 1. 그래핀에서 육각형 모양으로 탄소가 배치된 모습. 육각형 살창 의 단위벡터 (a1, a2)와 이웃 탄소를 연결하는 벡터 (s1, s2, s3). 육각형 살창은 두 개의 삼각형 부분살창이 서로 뒤집힌 채 엇갈려 배치된 살창 으로 볼 수 있으며 각각의 부분살창을 빨간색 A와 파란색 B로 표시하였 다. 전자가 빨간색 부분살창 A에 있을 때가 유사스핀의 고유값이 1/2인 상태이고 파란색 부분살창 B에 있을 때 -1/2인 상태이다. 참고문헌 [1] H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O’Brien, S. F. Curl, and R. E. Smally, Nature 318, 162 (1985). [2] S. Iijima, Nature 354, 56 (1991). [3] K. S. Novoselov et al., Science 306, 666 (2004); K. S. Novoselov et al., Nature 438, 197 (2005); Y. Zhang, Y.-W. Tan, H. L. Stormer and P. Kim, Nature 438, 201 (2005). [4] W. A. Harrison, Electronic Structure and the Properties of Solids (Dover, 1989). 시작하는 글 20세기 후반부터 시작된 새로운 탄소동소체들의 발견이 21 세기에도 이어지고 있다 . 지난 1985년에 발견된 플러린(C60) 과 [1] 1991년에 발견된 탄소나노튜브와 [2] 더불어 2004년~2005 년에 이루어진 그래핀(graphene)의 성공적인 분리로 [3] 이제 탄소로만 이루어진 물질을 이용하여 0차원, 1차원 및 2차원 공간에서 전자 및 여러 입자들의 물리적 성질을 연구할 수 있게 되었다. 왜 많은 사람들이 저차원 탄소 동소체, 특히 최근에 분리된 그래핀에 관심을 보이고 있는가? 이번 물리 학과 첨단기술의 세계에서는 새롭게 분리된 2차원 탄소동소 체인 그래핀의 특이한 물리적 성질들과 응용가능성을 중심 으로 지난 연구들을 간략하게 정리하는 것으로 앞서 언급한 질문에 대한 답을 찾아보려고 한다. 매우 짧은 시간동안 아 주 많은 연구들이 동시에 진행되었기 때문에 이 짧은 글로 많은 연구들을 전부 살펴볼 수 없음을 먼저 알리며, 글을 맺 을 때 더 읽어볼 거리를 추천함으로써 본 글의 부족함을 덮 어 보겠다. 그래핀이란? 연필심에 사용되어 우리에게 친숙한 흑연은 주기율표상 원 자번호 6번에 해당하는 탄소로 만들어진 동소체 중 하나이다 . 흑연은 탄소들이 벌집모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들 이 켜켜이 쌓여 있는 원자구조를 가지고 있다. 이러한 원자구 조를 가지는 흑연의 한 층을 그래핀이라고 부른다 (그림 1). 주로 공유결합을 통해서 이루어진 탄소동소체들은 4개의 최 외각 전자들의 파동함수의 선형결합의 방식에 따라서 결정구 조를 포함한 많은 물리적 성질이 결정된다. 공유결합을 이루 는 대부분의 고체들은 전자를 발견할 확률분포가 원자와 원 자 사이에서 최대가 된다. 탄소동소체 중 하나인 다이아몬드 가 그 대표적인 예이다 . 하지만, 그래핀에서는 세 개의 최외 각 전자들의 선형결합만이 탄소간의 강한 공유결합에 참여하 여 앞에서 언급한 육각형 그물모양 평면을 만들고, 여분의 최 외각 전자의 파동함수는 평면에 수직인 형태로 존재하게 된 다. 평면에 평행하여 강한 공유결합에 참여하는 전자들의 상 태를 σ-오비탈이라고 부르며, 평면에 수직한 전자의 상태를 π -오비탈이라 한다 (그림 2). 그래핀의 물리적 성질을 결정하는 페르미준위 근처의 전자의 파동함수들은 π-오비탈들의 선형 결합으로 이루어져 있다. [4] 그래핀에서 자유롭게 움직일 수 있는 전자들은 앞에서 언
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물리학과 첨단기술 October 2008 40
그래핀
손 영 우
저자약력
손영우 교수는 서울대 물리학과에서 응집물리학 이론으로 2004년 박사학
위를 받은 후, 미국 UC Berkeley 물리학과 연구원, 건국대학교 물리학과 조교수를 거쳐, 2008년 9월부터 고등과학원 계산과학부 교수로 재직 중이