반도체 나노선 성장 비밀 풀었다…비스무트 넣자 '쑥쑥'

국제 공동 연구진이 반도체 나노선이 액체 속에서 자라는 과정을 실시간으로 포착하고, 특정 물질을 추가해 성장을 촉진하는 방법을 찾아냈다.

영국 맨체스터대 국립그래핀연구소와 중국 중산대 공동 연구팀은 액상 투과전자현미경을 이용해 반도체 물질인 텔루륨 나노구조의 성장 과정을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다고 18일(현지시간) 국제학술지 '매터'(Matter)에 발표했다.

연구팀은 텔루륨이 처음에는 구형의 씨앗 입자로 나타나 여러 개의 나노선으로 성장하는 과정을 포착했다. 이 과정에서 주변 나노선들은 성장에 필요한 물질을 두고 서로 경쟁하며 성장 속도와 형태에 영향을 미쳤다.

나노선의 국소 성장 속도는 초당 1~15나노미터(nm) 범위에서 측정됐으며, 이는 전자 흐름과 주변 구조물의 존재 여부에 따라 달라졌다.

특히 이번 연구에서는 비스무트 나노입자를 씨앗으로 추가했을 때 텔루륨의 성장 방식이 극적으로 변하는 것을 확인했다. 비스무트는 핵 생성 지점을 늘리고, 더 복잡한 고사리 모양의 구조를 촉진했다.

또한 비스무트는 텔루륨 증착에 필요한 환원 전위를 낮추고, 동일한 조건에서 증착되는 텔루륨의 양을 크게 늘리는 효과도 보였다. 현미경을 통해 얻은 통찰이 실제 물질 합성에 직접 적용될 수 있음을 보여준 것이다.

연구를 이끈 사라 헤이 맨체스터대 교수는 "나노 규모에서 핵 생성, 성장, 분기 과정을 직접 관찰함으로써 이러한 과정을 훨씬 더 정밀하게 제어하는 방법을 이해할 수 있게 됐다"고 설명했다.

공동 저자인 이차오 저우 박사는 "비스무트 씨앗이 텔루륨 핵 생성을 촉진할 뿐만 아니라 증착을 더 쉽고 생산적으로 만든다는 것을 발견했다"며 "미래 소자 응용을 위한 맞춤형 텔루륨 나노구조 설계에 새로운 가능성을 열어준다"고 밝혔다.