흑연과 다이아몬드는 '탄소(C)'라는 물질로 이루어져 있다. 흑연으로부터 탄소 원자 한 층의 두께를 분리해낸 것이 바로 그래핀이다. 이렇게 같은 원자로 이뤄져 있더라도 그 수와 배열 상태에 따라 전혀 다른 물질로 구분된다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 최초로 2차원 물질 사이에 샌드위치된 단일층 분자 결정을 구현했다.

POSTECH 화학과 류순민 교수·통합과정 구성현씨 연구팀은 화학과 심지훈 교수 연구팀, 일본 물질재료연구기구(National Institute for Materials Science)와의 공동연구를 통해 약한 반데르발스 결합(van der Waals)을 하고 있는 테트라센(tetracene) 결정을 단일층으로 구현하여 광학적 물성을 보고했다. 이는 2차원 분자 결정 분야에서 첫 사례이다. 이 결과는 나노분야의 세계적 영향력을 지닌 학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 최근 게재됐다.

2004년 맨체스터대학 안드레 가임(Andre Geim) 연구팀이 기계적 박리법을 통해 흑연으로부터 탄소 원자 한 층의 두께를 가지는 그래핀을 분리한 이후 이차원 물질에 대한 연구는 폭발적으로 증가해왔지만, 이는 화학적 결합을 하는 무기 결정에 치우쳐서 발전해왔다. 테트라센과 같은 분자 결정은 약한 반데르발스 결합으로 구성되어 있기 때문에 이들을 분자 한 층 수준으로 만드는 것이 상당히 어려울뿐더러, 대기 조건에서 상당히 불안정하다.

연구팀은 그래핀이나 육방정 질화붕소(hBN)과 같은 2차원 무기 결정을 기판으로 사용해 단일층 테트라센 결정을 만드는 것에 성공했다. 또한, 여기에 건식 전사법을 이용해 hBN을 덮어 열과 빛에 대한 안정성을 크게 향상시켰다.

수십 마이크로 미터 크기의 단일층 테트라센 결정의 2차원 형태를 얻어내기 위해 원자 힘 현미경(AFM, atomic force microscope) 및 광역 발광 이미징(wide-field photoluminescence imaging) 방법이 도입됐다. 시료의 전자 구조를 알아내기 위한 편광 분리된 광학적 흡수, 방출 스펙트럼은 현미경이 결합된 마이크로 분광 장치로부터 얻었다.

연구팀은 2차원 테트라센 결정의 흡수와 방출 스펙트럼을 입사광의 편광에 따라 얻은 결과, 특정 각도에서 흡수와 방출이 최대가 되는 것을 발견했다. 이는 물질이 결정성을 가지고 있다는 것과 테트라센 결정의 배향을 흡수와 방출을 통해 실험적으로 결정할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 3차원 결정보다 크게 증가된 다비도프 분열(Davydov splitting)은 2차원 결정의 고유한 물성을 나타내는 지표가 된다는 사실을 확인했다.

이번 연구에서는 2차원 테트라센 결정을 육방정 질화붕소나 그래핀 사이에 가둠으로써 물질의 구조를 보존하고 광(光)안정성을 크게 향상시켰다. 결정의 광역 광발광 이미징 기법과 광학 2차 조화파를 이용해 수십 마이크로 크기의 테트라센 필름이 단결정화 됐고, 질화붕소 기판 위에 성장할 때 특정한 배향을 선호한다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 제일원리 계산을 통해 적층 구조에 대한 이론적 타당성을 확보했다.

이처럼 같은 유기 결정의 두께가 물성을 능동적으로 변조할 수 있다는 것이 확인됨으로써, 유기 결정을 이용한 OLED, 유기 광전 변환 공학 등으로 폭넓게 응용될 것으로 기대된다.

류순민 교수는 “테트라센 결정에서 일어나는 엑시톤의 비선형적인 증식이 태양 전지 효율의 열역학적 한계를 뛰어넘을 수 있는 친환경적인 연구로 각광받고 있다”며 “2차원 테트라센 결정은 태양 전지의 광흡수층을 이루는 주요 물질로 사용될 수 있고, 저차원 분자 결정의 구조와 물성 연구의 시발점이 될 것이다”라고 말했다.