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물리 새로운 기록의 전류를 가진 단일 분자 다이오드
2015.06.09 20:41
새로운 기록의 전류를 가진 단일 분자 다이오드http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2015060089&service_code=03 |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-06-08 | |
| 미국의 물리학자와 화학자들은 현재까지 개발된 것 중에서 가장 높은 온오프 전류를 가진 단일 분자 다이오드를 개발하였다. 지금까지 제작된 단일 분자 다이오드는 낮은 전도도와 낮은 정류 비율의 문제점을 가지고 있다. 새로 개발된 다이오드는 분자 스케일 상에서 물질의 기본적인 전자 구조 특성을 연구하는데 사용될 수 있으며 더 우수한 나노스케일 전자 디바이스 개발을 가능하게 할 수 있을 것이다. 미국의 물리학자와 화학자들은 현재까지 개발된 것 중에서 가장 높은 온오프 전류를 가진 단일 분자 다이오드를 개발하였다. 지금까지 제작된 단일 분자 다이오드는 낮은 전도도와 낮은 정류 비율의 문제점을 가지고 있다. 새로 개발된 다이오드는 분자 스케일 상에서 물질의 기본적인 전자 구조 특성을 연구하는데 사용될 수 있으며 더 우수한 나노스케일 전자 디바이스 개발을 가능하게 할 수 있을 것이다. 단일 전자 트랜지스터, 메모리 원소 및 광스위치와 같은 단일 분자로 만들어진 전자 디바이스는 1990년 이후부터 제작되었다. 그러나, 모든 전자 요소들의 기본이 되는 단일 분자 다이오드를 제작하는 것은 어려운 일이었다. 단일 분자 다이오드는 2개의 단자를 가진 전자부품으로서 전류가 단지 한 방향으로만 흘러가게 한다. 그와 같은 디바이스 아이디어는 40년 전에 이론 논문에서 제안되었다. 이런 개념에는 비대칭 분자가 포함되며 전통적인 다이오드에서 반도체 p-n 접합과 같이 작동할 것으로 예상된다. 그 이후, 연구자들은 비대칭 분자 특징을 가진 몇 개의 단일 분자 다이오드를 제작하였다. 그러나 수십년간에 걸친 이런 디바이스 성능의 향상에도 불구하고, 그것들은 낮은 전도도와 낮은 정류 비율이라는 단점을 가지고 있다. 그것들은 또한 약 1V의 높은 작동 전압을 필요로 한다는 문제점이 있다. 분자 다이오드는 보통 비대칭 구조를 가질 필요가 있다. 이런 비대칭 구조 하에서 전류 역시 비대칭 방향으로 흐른다. 이것은 보통 다른 물질로 만들어진 전극을 이용하거나 비대칭 분자를 사용하여 얻어진다. 이제 뉴욕 콜럼비아 대학의 Latha Venkataraman이 이끄는 연구진은 대칭 분자 및 동일한 금속으로 만들어진 전극을 이용하여 비대칭 분자 다이오드 제작에 성공하였다. 이것은 분자가 각 전극에 부착된 정전 환경을 조절함으로써 가능하게 되었다. 이 때 분자의 한쪽 끝은 거대 표면적을 가진 평평한 전극에 접촉되어 있으며 분자의 다른 쪽은 훨씬 더 작은 표면적을 가진 전극과 접촉되어 있다. 경계 대칭의 결과는 다른 전하 밀도의 이중층이 두 개의 전극-분자 경계에서 발생한다는 것이다. 이런 이중층은 금에서 전기적 전하에 의해 만들어진 전기장을 위한 경계쪽으로 전파해가는 솔벤트 안의 이온에 의해서 발생된다. 이런 비대칭 전하 분포는 연구진이 관측한 전류 정류 작용을 향상시키는 원인이라고 연구진은 말하였다. 연구진은 이런 단일 분자 구조에서 전류 정류 작용을 향상시키는 기술이 간단하고 안정적이라고 말하였다. 또한 그것은 비대칭 분자를 디자인하는데 필요한 복잡한 합성 방법에 대한 요구를 경감시킨다고 연구진은 말하였다. 연구진은 그들이 대칭적인 티오펜-1, 1-이산화물의 올리고머를 포함한 분자를 이용하여 370mV의 낮은 전압에서 200이상의 정류 비율을 달성하였다고 말하였다. 비분극 솔벤트에 담궈진 동일한 접합은 어떤 정류 작용도 보여주지 않았다. 이것은 디바이스의 작동에서 전극 주위의 환경이 핵심적인 역할을 한다는 것을 증명하는 것이라고 이들 연구진은 말하였다. 연구진은 그들이 측정한 높은 정류와 전류를 결합한 방법을 이용하여, 실제 디바이스 제작이 가능할 것으로 내다보고 있다. 또한 단일 분자 접합뿐만 아니라, 다른 나노스케일 디바이스 부품도 제작가능할 것으로 연구진은 예상하고 있다. 이뿐만 아니라 이 방법은 단일 분자 접합에서 에너지 준위가 어떻게 일치하는지를 실험적으로 조사할 수 있는 방법을 제공할 수 있을 것으로 예상되고 있다. 이것은 다른 디바이스 부품의 다양한 전자 구조를 연구하는데도 유용할 것이다. 이들 연구진은 현재 더 우수한 단일 분자 다이오드 개발과 최적화 연구를 수행하고 있다. 이들의 연구 결과는 Nature Nanotechnology에 발표되었다.
첨부그림: 분극 솔벤트 안에 담궈진 단일 분자 접합. 이 접합은 금 전극과 이온 매체 사이의 경계에서 전기적 이중층의 존재 덕분에 다이오드로서 역할을 한다. 상단은 팁 모양의 전극은 왁스에 의해서 대부분 커버되고 하단의 평평한 전극에 비해 솔벤트에 노출된 훨씬 더 작은 면적을 가지고 있다. |
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