High-magnitude, spatially and directionally programmable, and sustained strain engineering of 2D semiconductors

우리의 전자 기기에 동력을 공급하는 재료가 두꺼운 실리콘 블록이 아니라, 원자 한 층만큼이나 얇은 시트인 세상을 상상해 보십시오. 2차원 반도체라고 알려진 이 초박형 재료들은 매우 강하고 유연하며, 끊어지지 않고 늘어날 수 있습니다. 과학자들은 이러한 재료를 잡아당기면 전기를 전도하는 방식과 빛과 상호작용하는 방식을 바꿀 수 있다는 것을 오래전부터 알고 있었습니다. 이는 고무줄을 늘리면 모양이 변하는 것과 비슷하지만, 이 원자 시트에서는 늘리는 행위가 실제로 재료의 내부 에너지 법칙을 다시 쓰는 것과 같습니다. 만약 엔지니어들이 이 늘어남을 정밀하게 제어할 수 있다면, 더 빠른 컴퓨터와 더 효율적인 태양 전지를 만들 수 있을 것입니다. 하지만 지금까지 이러한 재료를 늘리는 방법은 서툴렀습니다. 아주 조금만 늘리거나, 혹은 많이 늘릴 수는 있었지만 몇 초 지나지 않아 원래대로 돌아오거나 형태를 잃어버렸습니다. 재료를 강하게 늘린 상태로 유지하면서도, 정확히 어디를 어느 방향으로 늘릴지 결정할 방법이 없었습니다.

연구팀은 이제 이러한 원자 시트를 몇 달 동안이나 늘어난 상태로 유지하면서도 늘어남을 완벽하게 제어할 수 있는 새로운 방법을 만들어 이 문제를 해결했습니다. 그들은 표면에 미세한 지형을 인쇄한 뒤, 마치 매트리스 위에 시트를 덮듯이 원자 시트를 그 위로 드리우는 방식을 통해 이를 달성했습니다. 연구진은 정교한 모양의 미세한 3차원 골짜기를 만들 수 있는 특수 인쇄 기술을 사용했습니다. 그들은 흔한 반도체 중 하나인 이황화몰리브데늄(molybdenum disulfide)의 단일 층을 가져와 이 인쇄된 표면 위에 조심스럽게 옮겼습니다. 이 재료는 매우 얇고 유연하기 때문에, 인쇄된 표면의 골짜기에 완벽하게 안착하며 그 윤곽에 맞춰 늘어났습니다. 팀은 골짜기의 깊이와 너비를 변경함으로써 재료가 얼마나 늘어날지를 정확하게 제어할 수 있었습니다. 어떤 구역에서 재료는 약 2.2% 늘어났는데, 이는 이 정도로 얇은 재료에게는 상당한 양이며, 이 늘어남은 8개월 이상 안정적으로 유지되었습니다.

이 방법의 힘은 정밀함에 있습니다. 연구진은 시트 전체를 균일하게 늘린 것이 아니라, 한 지점에서 다음 지점으로 갈수록 늘어나는 정도가 변하는 지형을 만들었습니다. 그들은 이를 지도화하여 재료의 거리 1마이크로미터당 약 0.1%씩 늘어남이 변화한다는 것을 발견했습니다. 이는 매끄러운 변형 구배(gradient of strain)를 만들 수 있음을 의미하며, 동일한 작은 시트 내에서도 서로 다른 부분이 다르게 작동하도록 할 수 있습니다. 재료가 가장 많이 늘어난 구역에서 연구진은 재료의 에너지 갭(전기가 흐르기 위해 필요한 문턱값)이 변하는 것을 측정했습니다. 그들은 에너지 갭이 약 0.4 전자볼트(electron volts)만큼 이동했다는 것을 발견했는데, 이는 재료 본래 에너지 범위의 4분의 1에 해당합니다. 이는 단순히 재료 아래의 형상을 바꿈으로써 재료의 전자적 특성을 국부적으로 조절할 수 있음을 확인시켜 줍니다.

모든 방향으로 동시에 늘리는 것 외에도, 연구팀은 한 방향으로만 늘리는 방법도 보여주었습니다. 둥근 골짜기 대신 길쭉한 도랑 형태의 홈을 인쇄함으로써, 재료가 도랑의 가로 방향보다 세로 방향을 따라 더 많이 늘어나도록 유도했습니다. 이는 모든 방향으로 늘리는 것과 한 방향으로 늘리는 것이 재료의 특성을 다르게 변화시키기 때문에 중요합니다. 그들은 하나의 재료 위에 둥근 골짜기와 긴 도랑을 나란히 배치하여, 서로 다른 두 가지의 늘어남 환경을 동시에 구현할 수 있음을 입증했습니다. 둥근 골짜기에서는 재료가 모든 방향으로 균일하게 늘어났고, 도랑에서는 주로 한 방향으로 늘어났습니다. 이처럼 단일 시트 내에서 늘어남의 양과 방향을 프로그래밍할 수 있는 능력은 미세한 규모에서 복잡한 전자 회로를 설계할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다.

연구진은 또한 이 방법을 이황화몰리브데늄과 이황화텅스텐의 두 가지 원자 시트를 쌓은 층에 대해서도 테스트했습니다. 그들은 인쇄된 표면에 직접 닿아 있는 아래쪽 층이 위쪽 층보다 더 많이 늘어난다는 것을 발견했습니다. 이는 두 층 사이에서 미세하게 미끄러지는 현상인 층간 미끄러짐(interlayer slippage) 때문에 발생합니다. 이 관찰 결과는 매우 중요한데, 이 방법이 첨단 소자를 구축하는 데 자주 사용되는 복잡한 적층 구조에서도 작동함을 보여주기 때문입니다. 연구팀은 여러 가지 도구를 사용하여 결과를 검증했습니다. 레이저를 사용하여 원자의 진동을 측정함으로써 늘어남을 확인했고, 미세 전기 프로브를 사용하여 재료의 전도성을 측정했습니다. 또한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 재료의 거동을 예측했으며, 실제 측정값은 이러한 예측과 매우 일치했습니다.

이 연구의 가장 중요한 측나 중 하나는 결과의 안정성입니다. 이러한 재료를 늘리려는 이전의 많은 시도는 빠르게 사라지는 일시적인 힘에 의존했습니다. 본 연구에서 연구진은 샘플을 4개월 후, 그리고 8개월 후에 다시 점검했습니다. 늘어남은 정확히 동일하게 유지되었으며, 재료가 원래대로 돌아오거나 형태를 잃는 징후는 보이지 않았습니다. 이러한 장기적 안정성은 이 방법이 시간이 지나도 신뢰성 있게 작동해야 하는 실제 장치를 만드는 데 사용될 수 있음을 시사합니다. 미세 지형을 인쇄하는 데 사용된 재료는 투명하여, 연구진이 간섭 없이 원자 시트를 관찰하고 측정할 수 있게 해주었습니다. 현재 사용된 인쇄 재료는 일종의 폴리머이지만, 연구진은 유사한 기술이 유리로 변하는 재료에 적용될 수 있으며, 이는 이 접근 방식이 미래의 전자 기기에 더욱 적합하게 만들 것이라고 언급했습니다.

이 작업은 단순히 이러한 재료의 거동을 관찰하는 것에서 벗어나, 그 거동을 능동적으로 설계하는 데로의 전환을 의미합니다. 재료 아래의 표면을 프로그래밍 가능한 도구로 다룸으로써, 연구진은 높은 정밀도로 이 시트들의 전자적 및 광학적 특성을 설계할 수 있는 방법을 만들어냈습니다. 그들은 균일하게 늘리거나, 한 방향으로 늘리거나, 혹은 표면을 따라 늘어남의 구배를 만드는 등 특정 필요에 맞춰 늘어남을 조절할 수 있는 강력하고 지속적인 방법을 보여주었습니다. 이러한 수준의 제어는 현재의 전통적인 재료로는 불가능한 작업을 수행할 수 있는 더 가볍고 효율적인 새로운 유형의 센서, 태양 전지, 컴퓨터 칩의 개발로 이어질 수 있습니다. 이 재료들을 늘어난 상태로 몇 달 동안 유지할 수 있다는 능력은, 이렇게 설계된 특성이 단순한 일시적 실험이 아니라 차세대 기술에 구축될 수 있는 내구성 있는 특징임을 의미합니다.