변형공학을 이용한 다이아몬드 구조 변화

다이아몬드는 가장 튼튼한 보석일 뿐만 아니라 아름답고 투명한 색을 가지고 있기 때문에 최고의 보석으로 여겨집니다. 강한 특성을 살려 절삭, 볼링, 광택 등을 위한 필수재료로 활용되고 있습니다.

또한, 다이아몬드에는 초고열전도성, 뛰어난 전하 이동성, 고강도, 초광대역폭 등이 있어 고성능 전자/광자재로도 사용할 수 있습니다. 밴드 갭은 반도체가 요구하는 중요한 특성으로 밴드 갭이 크면 고출력 또는 고주파 장치 반도체 장비 개발이 가능하다.


더 많은 나노 크기의 다이아몬드가 다음 세대를 위한 전자 재료로 사용될 수 있다. © 동차오춘 / 홍콩 시립대학교

그러나 반도체 생산에서 전자적 성질을 조절하는 방법인 도프 공정의 어려움 때문에 큰 밴드 간격과 다이아몬드의 미세한 결정구조는 잠재력이 있음에도 불구하고 전자 및 광전자 기기에 적용하기 어려웠다.

●변형공학을 이용한 다이아몬드 구조 변화

해결책은 변형 공학을 활용하는 것이다. 다이아몬드는 다이아몬드에 매우 큰 변형을 가함으로써 전자 밴드 구조를 변형시킴으로써 전자 재료로 활용된다. 하지만 다이아몬드는 매우 단단한 물질이기 때문에 불가능하다고 여겨져 왔다.

시티 홍콩 대학의 루양 교수 연구팀은 이 불가능해 보이는 과업 때문에 이미 두 산을 넘었다. 2018년, 루 박사의 연구팀은 나노스케일 다이아몬드의 물리적 성질을 탄성 변형 공학을 이용하여 확장함으로써 바꿀 수 있다는 것을 확인했다.

Science Journal의 최신호에 게재된 후속 논문에서, 루 박사의 연구팀은 이 특성들이 어떻게 기능적인 다이아몬드 장치를 개발하는 데 사용될 수 있는지를 다시 한번 보여주었다.

연구팀은 먼저 고형 다이아몬드 싱글 크리스털에서 정교하게 조립된 싱글 크리스털 샘플을 추출했다. 표본은 길이가 약 1,000나노미터이고 너비가 300나노미터였고 양쪽 끝에 있는 다리처럼 보였다.

연구팀은 전자 현미경으로 다이아몬드 다리를 성공적으로 조정하고 확장했다. 지속적인 인장 테스트를 실시한 후, 다이아몬드 다리는 7.5% 증가하여 원래 모양으로 돌아왔습니다.


다이아몬드 봉인변형을 설명하는 그림 © 홍콩 동차오춘 시립대학교

미국시험재료학회(ASTM) 표준을 사용하여 표본의 기하학적 형상을 최적화함으로써 연구팀은 최대 9.7%의 균일한 인장 변형률을 달성하였다. 이것은 이론적인 다이아몬드 탄성 한계에 가깝다.

하지만, 이 실험의 목적은 단지 다이아몬드를 증가시키는 것만이 아니다.

연구팀은 0%와 12% 사이의 서로 다른 변환 속도로 다이아몬드의 전자 속성을 측정했습니다. 연구팀은 인장 변형 인자가 높을수록 다이아몬드 밴드의 갭이 적다는 것을 발견했는데, 이는 다이아몬드가 전기적으로 더 전도성이 강하다는 것을 의미한다.

특히, 그 연구팀은 다이아몬드를 9퍼센트 이상 증가시키면 다이아몬드 띠의 간격이 간접적인 것에서 직접적으로 바뀐다는 것을 발견했다. 이것은 다이아몬드를 통과하는 전자가 광전자 장치로부터 직접적으로 빛을 효율적으로 방출할 수 있다는 것을 의미한다.

이 발견은 나노 크기 다이아몬드에 대한 탄성 변형 공학을 성취하는 초기 단계이다. 연구팀은 다이아몬드 구조가 나노 크기로 변할 수 있다는 것을 증명했고, 더 중요한 것은, 이러한 변화들이 지속 가능하고 되돌릴 수 있다는 것이다.

트랜지스터 마이크로나노 전자기계시스템(MEMSNEMS)에서 광전자와 양자 기술에 이르기까지 다양한 방법으로 임먼트가 적용될 수 있음을 보여준다.