반도체처럼 거동하는 흑연

탄소로 구성된 나노물질(Nanomaterials)은 특별한 성질을 갖고 있는데, 이러한 재

료는 새로운 전자 장치 및 센서에 우선 응용될 것으로 전망되고 있다. 응용을 위한 

재료는 탄소가 원자 수준으로 정렬된 박막에 기초하는데, 예를 들면 “그라핀

(graphene)” 혹은 탄소 나노튜브(carbon nanotubes)로 둘둘 말린 단분자 층의 형

태를 갖고 있다. 이와 같은 구조의 전자 성질은 그라핀 시트가 적층되어 구성된 흑연

(graphite)의 성질과 밀접하게 연관되어 있다. 과거 집중적으로 연구되었음에도 불

구하고 그라핀에서의 전자 거동에 대한 기본적 정보는 완전히 이해되지 못하고 있

어, 여전히 논쟁의 대상이 되고 있다. 

이러한 의문을 풀기 위해 막스 본 연구소(Max-Born-Institute in Berlin) 마커스 브레

우싱, 클라우스 로퍼즈, 토마스 엘사에서(Markus Breusing, Claus Ropers, 

Thomas Elsaesser) 연구진은 흑연 필름에서의 전자 거동을 실시간으로 연구하였

다. 그들은 Physical Review Letters에 “흑연에서의 초고속 캐리어 동력학”이란 제

목으로 10 펨토 초의 유례없는 순간 해상도(temporal resolution)를 이용하여 전자

의 동력학 연구 결과를 보고하였다. 

연구진은 초단 레이저 펄스(ultrashort laser pulses)로 전자를 고 에너지 상태로 전

이시킨 후, 전자가 평형 상태로 되돌아오는 것을 관찰하였다. 이러한 공정의 각 단계

들은 순간으로 나타나는 것으로서, 이를 통해 재료의 임시적인 전자 분포가 확인될 

수 있었다. 30 펨토 초 이내에 전자는 섭씨 2500도의 뜨거운 기체를 형성하며, 다시 

500 펨토 초 만에 섭씨 200도로 냉각된다. 이러한 과정에서 방출된 에너지는 결정 격

자(crystal lattice)로 이동된다. 이와 같은 프로세스 후에 전자는 초기 상태로 천천

히 회귀하게 된다. 

이번 연구 결과에 따르면 극히 짧은 시간에 흑연은 금속이 아닌 실리콘, 갈륨 알세니

드(gallium arsenide)와 같은 반도체로 거동함이 최초로 확인되었다. 관찰된 동력학

은 고 주파수에서 재료를 통해 흐르는 전류와 같은 전자 전달에 중요한 의미를 지니

며, 고 전기장 혹은 고 주파수가 작동하는 탄소에 기초한 미래의 전자 소자에 중요

한 기초 지식을 제공할 것으로 예상된다.

http://www.nanowerk.com/

출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-03-05