나노튜브 내의 반응 모니터링

 

최근 시험관으로서 단일 벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotube 

(SWCNT))를 이용함으로써, 나노 수준에서의 화학 반응에 대한 연구가 진행되었

다. 나노튜브는 분자를 고립하는 국한된 1차원 공간을 제공함으로써 나노 갇힘 효과

(nanoscale confinement effects)가 화학 반응에 미치는 영향이 조사될 수 있다. 

 

연구진은 세륨 화합물(cerium compounds)을 이용하여 탄소 나노튜브의 전자 도핑

(electron doping)을 수행함으로써 나노 시험관에서의 화학 반응을 연구할 수 있었

다. 도핑은 나노튜브의 벌크 전자 성질을 조절할 수 있는 촉망되는 방법이다. 이러

한 실험은 나노 수준에서의 화학반응을 이해하는데 도움될 뿐 아니라 미래의 전자 

장치에 나노튜브를 이용할 수 있는 잠재성을 배가시킬 수 있다. 

 

탄소 나노튜브의 전자 성질을 기능화하기 위해 나노 시험관 화학을 수행하였다고 서

레이대(University of Surrey) 히데수구 시오자와(Hidetsugu Shiozawa)는 말한다. 

이를 통해 연구진은 반도체에서 금속성 튜브로의 전이와 연관된 벌크 탄소 나노튜브

의 근본적인 물리 현상을 관찰할 수 있었다. 

 

연구진은 탄소 나노튜브와 세륨 유기금속 화합물을 파이렉스 튜브에 봉인하여 이를 

섭씨 200도로 열처리하였다. 이러한 공정을 통해 연구진은 세륨 분자를 담지한 단일 

벽 탄소 나노튜브를 관찰할 수 있었다. 진공에서 섭씨 1천도로 추가 열처리하면 채워

진 SWCNT는 세륨을 담지한 이중 벽 탄소 나노튜브로 변환된다. 투과 전자 현미경

(transmission electron micrographs) 이미지에 따르면 날카로운 선을 볼 수 있는

데, 이는 초기의 나노튜브이며, 이것 대신에 평행한 선과 검은 점을 볼 수 있는데, 이

것은 세륨 이온이 튜브 내에 갇힌 구조를 가리키는 것이다. 

 

이후 연구진은 구조체의 전자 성질을 연구하기 위해 세륨 화합물에서 전자적 정보

를 추출할 수 있었다. 공명 광발산 분광학(resonance photoemission 

spectroscopy)법을 이용하여 방출된 전자의 에너지를 측정함으로써, 연구진은 나노

튜브 묶음의 전도성이 세륨 도핑 후 증가된다는 것을 알 수 있었다. 이는 초기의 반

도체성 나노튜브가 금속성 나노튜브로 변환되었다는 것을 시사한다. 

 

화학 반응이 위와 같은 나노 시험관에서 수행되면 발생되는 반응은 수 십억 개의 분

자가 서로 반응하는 대신 단일 분자가 서로 반응하는 상황에 근접하게 된다. 탄소 나

노튜브의 1차원 양자 전자 상태에선 특정 분자 혹은 화합물이 상호작용할 수 있기 때

문에 연구진은 탄소 나노튜브의 전자 상태를 통한 갇힘 화학 반응을 모니터링할 수 

있었다. 

 

전체적인 실험 결과를 볼 때 세륨 화합물의 나노 화학 반응이 주변의 탄소 나노튜브 

전도성을 어떻게 증가시키는지 알 수 있었다. 따라서, 나노튜브의 전자 성질을 변경

하기 위해 나노화학을 이용함으로써, 나노튜브 전자 소자의 실현은 보다 근접하게 

될 것이다. 한편 이번 연구 결과는 Physical Review Letters에 게재되었다. 

 

[그림] 

(왼쪽) 나노튜브 내부에 갇힌 세륨 분자의 모식도. (오른쪽) 세륨을 내재하고 있는 

이중 벽 나노튜브의 투과 전자 현미경 이미지. 화살표는 검은 점으로 나타난 세륨 이

온을 가리킴. 크기 비교 막대는 1 nm임. 

 

[원문] 

H. Shiozawa, T. Pichler, C. Kramberger, M. Rummeli, D. Batchelor, Z. Liu, K. 

Suenaga, H. Kataura, and S. R. P. Silva. Screening the missing electron: 

Nanochemistry in action, Physical Review Letters 102, 046804 (2009).

 

http://www.physorg.com/

출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-03-09