실리센

Silicene.

1 개요

그래핀을 뛰어넘는다고 기대받던 신소재.하지만 사쿠라로 결론날 위기에 처했다

규소(Si)로 구성되어 있으며, 그래핀과 같은 육각 구조의 2차원 물질이다. 그래핀과 달리 띠틈을 가지고 있어 억지로 띠틈을 만들어 줘야 하는 그래핀을 대신할 반도체 소재로 각광받으며 계속 개발 중이다.

2 상세

그래핀을 반도체로 바로 활용하지 못하는 이유는 '띠틈'(Band gap, 밴드 갭)이 없기 때문이다. 물질을 반도체로 활용하려면 적당한 저항이 존재해야 한다.
저항이 너무 크면 전기를 걸어줘도 전류가 흐르지 않는다. 그렇다고 저항이 너무 작으면 전류가 잘 흐르기 때문에 전류를 끊어줄 수 없어 반도체로 활용하기 어렵다.

이 저항을 결정하는 것이 바로 띠틈이다. 띠틈이란 전자의 에너지가 갖고 있는 차이를 의미하는데, 그래핀은 띠틈이 없어 반도체로 활용하기가 어렵다. 그래핀을 리본 모양으로 만들거나 두 겹으로 쌓는 방안을 모색하는 것도 모두 띠틈을 만들어 주기 위함이다.

하지만 실리센은 띠틈을 갖고 있기 때문에 반도체에 활용하기 간편하다.[1] 또한 실리센은 그래핀처럼 매우 강하고 얇을 뿐 아니라 유연한 성질을 갖고 있다.

3 문제점

그래핀처럼 4족 단일 원소로 구정되어 있으며 동일한 결합구조를 지니는 실리센은 위와 같은 기대를 받고 있다. 하지만 그래핀과는 비교가 안될 정도로 심각한 문제점을 가지고 있기 때문에, 실용화까지는 아직 무리이다.

3.1 실리센은 정말로 발견된 게 맞는가?

현재까지 실리센의 존재를 강력하게 뒷받침하는 실험은 STM[2]과 각도분해 광전자 분광(ARPES)[3]이 되겠다. 특히 ARPES로 에너지 띠 틈을 가진 디랙밴드로 추정되는 결과가 나온 것이 큰 이유인데, 최근 해당 밴드는 실리콘의 밴드가 아니라 실리콘과 기판(은)의 결합을 이루는 전자들의 밴드라는 결과가 나왔다.[4]

최근 결과가 맞다면, 해당 구조물은 실리센이 아니라 은 표면에 흡착된 실리콘 원자가 적절하게 재구성되면서 재수좋게 그래핀과 흡사해 보인 것 뿐이라는 것이며, 그런구조는 sp2 hybridization으로 인한 pz오비탈의 pi-bond가 이뤄지지 않았다는 말[5]이 되므로 절대로 실리센이라 할 수 없다. 즉, 이부분에 대한 대답이 명쾌하지 않은 상황에서 지금 연구하고 있는 구조가 실리센이라는 보장은 전혀 없다.

이에 대한 논란이 뜨거운 와중에 arxiv[6]에 기판과 상호작용하는 기존의 해석과는 다른실리센이라고 사쿠라임을 입증주장하는 논문이 올라왔으니 관심있다면 읽어보자[7][8]

이 논란에 대해 학자들의 주류의견은
1. 순수 실리콘의 밴드가 아니라 Si-Ag 결합에 의한 밴드이다.
2. 따라서 순수 실리콘 밴드가 아님에도 불구하고 2차원적 전자구조를 지닌다.
가 되겠고, Massive Dirac Band를 가진 것으로 보는 학자들도 존재하는 상태다. 즉 이상적인 실리센이 아니라 Interacted 실리센으로 본다는 이야기
그러니까 Epitaxial Graphene을 예로 들면 Zeroth-Layer같은 존재와 비슷한 점이 있다.문제는 그 위에 실리콘이 쌓이면 그게 실리센일지는 글쎄...
사쿠라긴 사쿠란데...애매한 사쿠라다[9]

현재 영문 위키피디아에서는 순수한 실리센 밴드가 아닌 것으로 결론 났다고 서술되어 있다. [1]

3.2 구조의 취약성

위의 문제와 연관성이 있는데, 만약에 단순 흡착되어 표면에 재구성된 구조라면 진공에서 조차 시간이 지나면 구조가 망가지게 된다.[10] 이는 표면과학을 하는 사람들에겐 상식인 수준인데, 현재까지 실리센이라 보고된 구조들은 하나같이 진공에서조차 오래 견디지 못하고 있다.[11] 물론, 실리콘 자체가 기본적으로 sp2보다는 sp3가 압도적으로 안정적인 물질이기 때문에 진짜 실리센이라도 이런 문제가 있을 가능성은 농후하다.[12] 이러한 구조적 불안정 성은 실용화의 가능성을 크게 떨어트린다.[13]
  1. ↑ 아래에 후술한 문제점에도 있지만, 이 띠틈 자체가 실리센을 의심하는 이유중에 하나다. 기본적으로 단순 그래핀의 구조라면, 탄소 대신에 그 어떤 단원자로 구성해도 추가적인 퍼터베이션이 없이는 띠틈은 절대 열리지 않는다. AB sublattice symmetry가 깨져 있지 않기 때문이다.그리고 아래 후술된 arxiv논문이 이부분에 대해 확인사살을 날려줬다. 해석을 믿든말든 데이타는 이 주장이 틀림을 증명하고도 남는다.
  2. ↑ 탐침을 표면에 가까이 접근시키면 양자적 터널링 효과로 전류가 흐를 수 있는데, 이를 통해 실공간상의 전자구조를 측정 할 수 있다.
  3. ↑ 일함수보다 높은 에너지를 가진 단일파장의 빛을 쬘 때 나오는 광전자는 샘플 표면에 구성된 역격자공간에서의 전자구조를 반영하고 있다. 이를 통해 Valance Band의 모양을 측정할 수있다. 그래핀의 디랙밴드의 모양도 바로 이 테크닉으로 측정된 것. 물론 Fermi Level위의 밴드는 2PPM테크닉이 아니면 불가능하다
  4. ↑ 물론 DFT를 이용한 계산 결과라 아직 속단하기는 이르다. 다만 실리센이 사쿠라인지 아닌지와는 별개로, 해당 논문은 GGA를 사용한 것으로 보이는데, 일반적으로 GGA는 band gap을 제대로 예측하지 못하는 경향이 있으므로 hybrid functional 수준의 계산으로 교차검증할 필요가 있을 듯하다.
  5. ↑ 정말 실리센이라면 실리센과 기판사이에 어떠한 화학적 결합도 있어서는 안된다. 즉, 최근 논문은 그걸 부정하고 있다.
  6. ↑ 코넬대에서 운영하는 무료! 물리분야 중심의 논문저장소, 보통 투고전후쯤 연구자들이 선공개 하는 개념의 사이트다. 간혹 국내에 여기 올라온 논문을 가지고 기사를 쓰면서 세계적으로 권위있는 논문저장소 arxiv라는 개소리를 기사로 쓰는데 속지말자. 여긴 논문 심사같은게 없는 말 그대로 투고하기 전이거나 게재되기 전의 논문을 선공개하는 곳일 뿐이다. 권위라는 표현과는 거리가 먼 곳이다. 심사절차가 없기에, 무한동력이 존재한다와 같은 개소리도 게제가 가능하다.
  7. ↑ 일단 이 논문 조차 기존 실험논문들이 주장한 실리센을 부정'하고 있다.그래서 제목이 interacted silicene이다 arxiv에 올라온 논문의 해석을 받아들이든 말든 arxiv에 올라온 논문은 분명하게 긍정적인 가치가 있는데 어떻게 보든간에 ARPES로 K포인트의 띠틈을 지닌 디랙밴드를 봤다는 2012년의 prl논문은 완벽한 오판이라는 확실한 증거다.특히 Figure 3.(e)는 2012년의 논문 데이터를 완벽하게 재현까지 했다.뭐여? 사쿠라여? 이미 돌이키기엔 너무 많은 연구진들이 인용해갔다
  8. ↑ 물론 2012년 prl논문이 오판이라는 논문은 이전에도 많았고 ARPES로도 증명이 되었다. 다만 위 Arxiv논문을 제시한 이유는 무료이며, Symmetry관점에서 잘 정리된 데이터를 보여주고 있기 때문이다. 그낭 누구나 열어볼 수 있잖아...
  9. ↑ 일단 2D밴드이기 때문에... Interacted라 하면 그냥 사쿠라라 매도하긴 그렇다.
  10. ↑ 그래핀과 위상부도체가 각광받는 가장큰 이유가 되시겠다. 두 물질 다 대기중에 놓여도 디랙밴드는 보호되고 있다.
  11. ↑ 한 기사에 따르면 몇 분의 수명을 가진 실리센을 만들었다고 한다.
  12. ↑ 탄소의 경우는 sp2, sp3등으로 이뤄진 동소체가 진짜 많다. 그렇기에 그래핀을 쉽게 얻을 수 있었던 것
  13. ↑ Beyond Graphene의 한 지분을 크게 먹고있는 흑린의 경우도 한층짜리 흑린은 그래핀 구조를 Pukered 시킨 구조이며 최근 연구결과들이 비등방성을 지닌 디랙밴드로 엔지니어링이 된다고 하지만, 인자체가 산화가 굉장히 잘 되는 녀석이라, 이 문제를 해결하려고 뛰어든 연구진이 정말 많다. 이 문제는 탄소를 제외한 단일 원소로 유사그래핀 구조를 만든 모든 경우에 공통적으로 해당되는 문제다.