세 가지 분자-금속전극 접합 원자구조와 이에 상응하는 외력에 따른 전도도 변화 패턴.한국과학기술원 제공
이 문제는 10년 넘게 나노분야의 주요 난제로 남아있었다.
단일분자 전자소자는 차세대 반도체 소자 후보군으로, 관련 연구가 활발히 수행되고 있다.
분자를 전자소자로 활용하기 위해선 분자-전극 형태의 원자구조가 구체적으로 어떻게 형성되는지 이해하는 것이 중요하다.
이와 관련 지난 2006년 미국 애리조나 대학의 타오(Nongjian Tao) 교수팀이 한 종류의 분자에서 여러 개의 전류 값이 나올 수 있음을 규명했으나 전류 값의 크기, 개수, 원인 등은 밝혀지지 않았다.
김용훈 교수팀은 주사탐침현미경 등을 이용해 단분자 소자가 구현되는 과정을 슈퍼컴퓨터로 재현했다.
연구결과, 분자와 금속 전극 간 결합의 원자구조 배위수(coordination number)라에 따라 금속전극 사이에서 전류 값이 변화하는 것을 확인했다.
배위수는 분자나 결정의 중심 원자 주위에 있는 이웃 원자들의 개수를 말한다.
이와 함께 분자가 당겨질 때 단순히 금속과 분자 사이 결합이 끊어지는 게 아니라 금속전극의 원자구조가 쉽게 변형돼 결국은 금속과 금속 사이의 결합의 끊어지는 것을 규명했다.
(왼쪽부터)KAIST EEWS 대학원 김용훈 교수와 1저자 김후성 박사과정, 후속연구자 김한슬 박사.한국과학기술원 제공
김 교수팀의 이론을 뒷받침하기 위해 일본 오사카 대학의 카와이(T, Kawai) 교수는 소자 인장에 따른 전류의 증가를 포함하는 실험을 수행했다.
김용훈 교수는 “이번 연구는 나노 분야에서 이론 연구가 실험을 선도하는 역할을 성공적으로 수행함을 보여주는 예가 될 것”이라며 “향후 OLED, 바이오센서, 유기태양전지 등 다양한 유기소자 분야에 활용 가능할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구성과는 국제학술지 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)’ 6월21일자에 게재됐다.
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