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50년 이상, 실리콘 칩 제조업체들은 전기 온/오프 스위치 방식을 고안하여 단어, 그림, 영화 및 기타 형태의 데이터를 암호화하는 디지털 신호인 1과 0을 생성했다. 그러나 연구원들이 향후 50년 동안의 전자 제품을 고려할 때, 지금의 실리콘 칩보다 훨씬 얇은 3원자 두께 단일층의 새로운 물질 유형으로 실리콘 이후를 넘보기 시작했다. 하지만 아직까지 디지털 신호 1과 0을 만들기 위해 실리콘보다 더 효율적으로 제어하지 못하고 있다. 스탠포드 대학 전기 공학 부교수인 에릭 팝 박사가 이끄는 연구팀은 이러한 원자적으로 얇은 물질과 전자 제품을 대량으로 생산하는 것이 가능할 수 있음을 보여주었다. 이러한 얇은 물질은 실리콘으로는 만들기 불가능한 전자 소자들을 가능하게 하는 방법으로 투명하고 유연하다. 팝 교수의 대학원생인 커비 스미스 연구원은 당신의 창문이 텔레비전이라면 아니면 차 앞 유리에 헤드-업 디스플레이가 새로운 재료로 가능할 수 있는 전자 응용들을 제안했다. 스미스 연구원, 팝 교수와 팝 교수 연구실의 대학원생인 크리스 잉글리쉬 연구원과 사우라브 수르야반쉬 연구원은 원자적으로 얇은 2 차원 소자들을 연구하여 2D Materials 저널에 'Intrinsic Electrical Transport and Performance Projections of Synthetic Monolayer MoS2 Devices'라는 제목의 논문에서 그들의 연구결과들을 발표했다. 연구팀의 목표는 단일층 칩을 실용화시키는 제조 프로세스를 개발하는 것이었다. 첫 번째 원자 적으로 얇은 물질은 2004년에 과학자들이 연필의 '심'에 해당하는 물질인 그래핀이 단일 탄소 원자의 두께로 층을 이루어 격리될 수 있다는 것을 관찰했을 때이다. 이 발견을 한 과학자들은 2010 년 노벨 물리학상을 수여받았다. 그러나 과학자들이 끈끈한 테이프를 사용하여 그래핀 층을 암석에서 들어 올리는데 이용된 과정은 초박막 결정을 차세대 전자 소자로 바꾸지 못하고 있다. 그래핀 발견의 결과로 공학자들은 유사한 물질을 발견하고 특히, 원자적으로 얇은 스위치를 회로에 적용할 수 있는 실용적인 방법을 찾기 시작했다. 스탠포드 연구팀원들이 이룩한 발전은 제조 가능성 문제 해결이다. 이를 위해 그들은 몰리브덴 이황화물이라는 단일층으로 시작했다. 이 물질은 황의 두 층 사이의 몰리브덴 원자시트가 가운데 위치한 샌드위치와 같은 구조이다. 이전의 연구에 따르면 몰리브덴 이황화물은 전기를 통해 디지털 신호인 1과 0을 생성하는 좋은 스위치 역할을 했다. 문제는 연구팀이 칩을 형성하기에 충분한 크기의 몰리브덴 이황화물 결정을 제조할 수 있는지 여부였다. 이를 위해서는 엄지 손가락 크기의 결정을 제작해야 한다. 필요한 결정의 종횡비를 고려하기 전까지는 큰 문제가 되지 않을 수 있다. 칩 두께가 3 원자이지만 엄지 손가락 크기는 전체 스탠포드 캠퍼스를 충당 할 만큼 큰 단일 용지와 같다. 스탠포드 연구팀은 두꺼운 것보다 2500 만 배나 더 넓은 결정 구조에 3개의 원자층을 증착시켜 시트를 제조했다. 스미스연구원은 화학 기상 증착이라 불리는 제조 공정에 대한 독창적인 개선을 통해 이를 달성했다. 이 접근법은 원자가 숯처럼 증발할 때까지 소량의 황과 몰리브덴을 소각한다. 그런 다음 원자는 유리 또는 실리콘과 같은 '핸들'기판 위에 초박형 결정 층으로 증착된다. 그러나 연구원들의 연구는 아직 끝나지 않았다. 그들은 여전히 이 물질을 전기 스위치로 패턴화하고 작동을 이해해야 했다. 이를 위해 연구원들은 잉글리쉬 연구원에 의해 진행된 최근의 진보를 이용하여 몰리브덴 이황화물층과의 양호한 금속 접촉을 형성하기 위해서는 매우 청결한 증착 조건이 필수적이라는 사실을 발견했다. 연구실에서 현재 이용할 수 있는 풍부한 새로운 실험 데이터가 수르야반쉬 연구원이 새로운 물질의 정확한 컴퓨터 모델을 만들고 회로 구성 요소로서의 집단적인 거동을 예측할 수 있게 했다. 팝 교수는 자신들이 더 큰 크기와 더 나은 성능을 가진 회로로 이 공정을 확장하기 위해 많은 노력을 기울이고 있지만 현재 모든 구성 요구들을 가지고 있다고 전했다. 칩 제조 중 회로는 재료에 식각되어야 한다. 어떻게 대규모 단일층 칩 제조 과정이 향후 이 단계를 수행할 수 있음을 시현하기 위해 연구팀은 표준 식각 도구를 사용하여 스탠포드 로고를 프로토타입으로 절삭했다. 그리고 이후 미국 선거 운동 기간에 완료한 프로젝트로 약간의 즐거움을 얻기 위해 두 명의 주요 당 후보자의 나노 스케일 인물 사진을 원자적으로 얇은 캔버스에 새겨 넣었다. 팝 교수는 스탠포드 팀이 2008년 선거기간 동안 비슷한 작업을 한 연구원들에 의해 카본 나노 튜브를 이용한 차기 대통령 당선자 오바마 상원 의원의 이미지 축소판인 '나노 바마'를 만들 때 영감을 받았다고 말했다. 나노 튜브는 또 다른 잠재적 인 차세대 칩 기술이다. 이 프로젝트의 연구자들은 나노 바마를 거의 상상도 할 수 없을 정도로 작은 물체를 제조하는 기술자의 능력에 주의를 환기시키는 방법으로 사용했다. 팝 교수는 기술이 유용하기 때문에 많은 사람들이 전자 제품에 관심이 있지만 연구원들은 나노 트럼프와 나노 클린튼이 연구에 대한 관심을 넓힐 수 있기를 희망한다고 말했다. 또한 그는 아마도 3원자 두께의 캔버스에 새겨진 인물 사진이 미래의 연구자들에게 우리가 아직 상상조차 할 수 없는 방식으로 영감을 줄 것이라고 전망했다. 2차원 물질의 대량 생산을 위한 알맞은 새로운 제조 기술은 향후 차세대 전자소자 개발에 밑바탕이 될 것으로 기대된다. |
