2D 머티리얼: 미래를 위한 떠오르는 스타

소개

2D 재료 또는 단일 레이어 재료는 원자가 한 층으로 이루어진 재료입니다. 좀 더 미시적으로 보면 2D 소재는 나노 크기의 소재입니다. 가장 유명한 2D 소재의 예로는 육각형 격자 나노 구조의 탄소 동소체로 구성된 그래핀이 있으며, 2004년에 처음 분리되었습니다. 그림 1은 그래핀 층의 구조를 보여줍니다.

단층 그래핀은 그 자체로 몇 가지 독특한 특성을 가지고 있습니다. 대부분의 강철보다 무게 대비 인장 강도가 수백 배 더 높습니다. 또한 열 및 전기 전도성이 가장 높습니다. 그래핀의 뛰어난 특성으로 인해 많은 연구와 연구자들이 그래프다이인, 그래핀닐렌 등 다른 단일 원자 탄소 네트워크를 추가로 개발하는 데 관심을 기울이고 있습니다. 그래핀은 2D 소재 개발의 선구자가 되었습니다.

그림 1: 그래핀 층

2D 소재란 무엇인가요?

재료를 3차원으로 생각하면 2D 재료는 나노 크기의 치수가 하나만 있는 재료입니다. 재료가 세 가지 차원을 모두 나노 크기로 갖는다면 0D 재료입니다. 표 1은 0에서 3D 머티리얼에 대한 요약입니다[1].

표 1: 0에서 3D까지의 머티리얼(예시 포함)

2D 재료는 원소, 금속 화합물, 유기물, 염으로 나뉩니다. 그림 2는 다양한 2D 재료의 구조와 분류를 보여줍니다[2].

육방정 질화 붕소(h-BN)는 그래핀의 동형체입니다(그림 1에 표시된 그래핀과 미세 구조는 같지만 탄소가 붕소와 질화물로 대체된 것을 제외하면).

MoS2는 전이 금속 디칼코게나이드(TMDC) 중 하나입니다. TMDC의 화학식은 MX2입니다(M은 Mn과 같은 전이 금속이고, X는 S, Se, Te와 같은 칼코겐입니다). TMDC는 X-M-X 삼층 공유 결합 구조를 형성합니다.

서로 다른 기계적, 전기적, 광학적 특성으로 인해 2D 소재는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며, 이에 대해서는 나중에 설명하겠습니다. 먼저 2D 머티리얼이 어떻게 제작되는지에 대한 몇 가지 정보를 알아봅시다.

그림 2: 다양한 2D 머티리얼의 종류와 구조 [2]

2D 머티리얼은 어떻게 제작하나요?

2D 머티리얼은 원자가 단일 층으로 이루어진 소재입니다. 햄을 자르듯 부피가 큰 재료를 얇게 만드는 것은 가능하지만, 일부 재료는 3차원에서 화학 결합이 있기 때문에 쉽지 않은 문제입니다. 이러한 결합을 끊으면 얇은 층이 매우 불안정하고 화학적으로 반응합니다. 흑연은 다릅니다. 흑연은 2차원 물질로서 평면 내에서만 강한 화학 결합을 가지며, 각 평면이 서로 겹쳐 흑연을 형성합니다( 그림 3 [3] 참조). 따라서 위의 전략을 사용하여 그래핀을 만들 수 있습니다.

그림 3: 흑연 구조 [3]

2D 재료를 만드는 방법에는 하향식과 상향식의 두 가지 아이디어가 있습니다.

하향식은 제어된 공정에 따라 대형 또는 대량의 재료를 절단하고 생성된 층을 제거합니다. 기본 전략은 위에 언급되어 있습니다. 하향식은 기계적, 액상, 초음파, 전기 화학, 이온 교환 및 리튬 주입 박리로 나눌 수 있습니다[2].

바텀다운은 원자 또는 분자 원소를 사용하고 이를 '결합'하여 2D 재료를 형성합니다. 바텀다운은 2D 재료보다 작은 재료를 사용하여 빌딩 블록처럼 2D 재료를 생성합니다. 하향식에는 에피택셜 성장, 화학 기상 증착(CVD), 펄스 레이저 증착(PLD), 습식 화학 방법, 로웨이브 보조 방법 또는 상화학 변환이 있습니다[2].

기계적 박리, 액체 박리, CVD는 일반적으로 2D 재료를 만드는 데 사용됩니다.

기계적 박리

기계적 박리는 기계적 힘을 사용하여 벌크 재료에서 얇은 층 또는 몇 개의 얇은 재료 층을 분리합니다. 일반적으로 "점착 테이프"를 사용하여 벌크 재료를 벗겨내고 얇은 층을 수집합니다. 모든 하향식 방법에서 가장 중요한 문제는 벌크 재료의 각 층 사이의 반데르발스 힘을 극복하는 것입니다. 박리 과정에서 정상 힘과 횡력을 조심스럽게 가하면 기계적 박리를 통해 고품질의 2D 재료를 생산할 수 있습니다. 그러나 낮은 효율과 수율은 기계적 박리의 주요 문제입니다.

액체 박리

액체 박리는 유기 용매를 중간 매개체로 사용하여 벌크 재료에 기계적 힘을 전달하고 초음파 처리가 각 층에 인장 응력을 주어 각 층을 분리함으로써 기계적 박리의 이러한 단점을 보완할 수 있습니다. 그러나 액체 박리로 생산된 2D 재료에는 유기 용매 잔류물이 있을 수 있으므로 일부 광학 응용 분야에는 2D 재료가 적합하지 않을 수 있습니다.

화학 기상 증착

화학 기상 증착(CVD)은 제어된 크기에서 고품질의 고효율 2D 재료를 생산할 수 있습니다. 가열된 용광로 내에서 원자 또는 분자 원소를 포함하는 하나 또는 여러 개의 전구체 가스가 기판에 닿으면 2D 재료가 기판 위에서 성장합니다. CVD는 그래핀과 TMDC를 생산하기 위해 성공적으로 적용되었습니다. 가스 압력, 온도, 반응 시간 등은 2D 재료의 품질, 두께, 구성에 중요한 역할을 합니다.

2D 재료를 사용하는 이유와 적용 분야

2D 재료의 장점

벌크 재료와 비교하여 2D 재료는 단층 구조로 인해 반데르발스 힘이 없습니다. 반데르발스 힘은 원자 또는 분자 간의 거리 의존적 상호 작용입니다. 재료가 응력을 받을 때 반데르발스 힘을 극복하지 못하면 파손됩니다. 공유 결합은 전자를 서로 공유하여 원자의 표면적 대 부피 비율을 강하게 유지하는 것을 의미합니다. 2D 소재는 반데르발스 힘이 없고 공유 결합만 존재하기 때문에 인장 강도가 매우 강합니다. 그래핀은 자연계에서 가장 높은 인장 강도를 가진 소재입니다.

2D 소재의 단층 구조로 인해 부피 대비 표면적이 상대적으로 높습니다. 더 많은 반응물과 접촉하여 더 빠른 반응을 일으킬 수 있습니다. 또한 2D 소재는 평면에 수직인 방향으로 주기성이 감소하면 밴드 구조가 변화하기 때문에 전자 및 광학적 특성이 우수합니다.

2D 재료의 응용 분야

2D 재료는 트랜지스터, 광 검출기, 반도체, 커패시터, 멤리스터 및 기타 여러 응용 분야에 널리 사용됩니다.

그래핀 산화물은 분산성이 뛰어나 섬유, 필름 또는 3D 구조의 복합체를 만드는 데 자주 사용됩니다. 50% 산화 그래핀과 50% 셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 결합하여 제조된 에어로젤은 순수 CNF 에어로젤보다 더 강한 강도와 강성을 보여줍니다[2].

그래핀의 높은 표면적 대 부피 비율은 가스의 인화성을 감소시킵니다[2]. 따라서 그래핀은 고분자 복합재 및 기타 재료의 가연성 저항성을 높이는 첨가제가 될 수 있습니다. 그래핀은 또한 높은 전기 전도도, 화학적 안정성 및 높은 캐리어 이동성으로 인해 멤리스터에서 우수한 성능을 보여줍니다. 고속 및 장시간 조건에서 저항 스위칭을 잘 담당합니다. 멤리스터에는 TMDC, BN 또는 BP도 사용할 수 있습니다.

TMDC(_MoS2, _WSe2, _WS2)는 전자제품에서 가장 중요한 요소인 전계효과 트랜지스터(FET)에 널리 사용됩니다. TMDC는 전하 이동성이 우수하고 밴드 갭이 적당하여 FET 애플리케이션에 적합합니다[2].

h-BN 필름의 우수한 유전체 특성으로 인해 커패시터에 h-BN/Ge/금속의 조합이 나타납니다.

언급되지 않은 수많은 애플리케이션과 2D 재료가 있습니다. Stanford Advanced Materials (SAM)는 다양한 종류의 2D 재료를 제공합니다. 2D 소재에 대한 자세한 정보를 원하시면 기술 담당자에게 애플리케이션 정보를 제공하여 조언을 구할 수 있습니다.

참조

1. 2D 재료: 2차원 머티리얼에 대한 소개입니다. Ossila. (nd). 검색 됨 1 월 28, 2023에서 https://www.ossila.com/en-us/pages/introduction-2d-materials
2. Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & Das, O. (n.d.). 2D 재료의 합성, 특성 및 응용에 대한 검토. 2D 재료의 합성, 특성 및 응용에 대한 검토. 검색 됨 1 월 29, 2023에서 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031
3. Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & Das, O. (n.d.). 2D 재료의 합성, 특성 및 응용에 대한 검토. 2D 재료의 합성, 특성 및 응용에 대한 검토. 검색 됨 1 월 29, 2023에서 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031