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Jun 16, 2023

그래핀: 완벽함은 무의미하다

세상에 완벽한 것은 없습니다. 이는 재료연구에서도 마찬가지이다. 컴퓨터 시뮬레이션에서는 매우 이상적인 방식으로 시스템을 표현하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 속성을 계산합니다.

세상에 완벽한 것은 없습니다. 이는 재료연구에서도 마찬가지이다. 컴퓨터 시뮬레이션에서는 매우 이상적인 방식으로 시스템을 표현하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 절대적으로 완벽한 결정이 가질 수 있는 특성을 계산합니다. 그러나 실제로는 결정 격자의 결함, 재료에 부착되는 추가 입자, 입자 간의 복잡한 상호 작용 등 추가 효과를 항상 처리해야 합니다. 따라서 중요한 질문은 다음과 같습니다. 이러한 피할 수 없는 추가 효과가 재료 특성을 변경합니까?

이는 단일 탄소 원자 층으로만 구성된 2차원 물질인 그래핀의 경우에 특히 흥미롭습니다. 그래핀이 우수한 전자적 특성을 가지고 있다는 것은 오랫동안 알려져 왔습니다. 그러나 지금까지 이러한 특성이 얼마나 안정적인지는 불분명했습니다. 실제로는 피할 수 없는 교란이나 부가효과에 의해 파괴되는 것인가, 아니면 온전한 상태로 남아있는 것인가? TU Wien (비엔나)이제 성공했다 현실적인 그래핀 구조의 포괄적인 컴퓨터 모델을 개발하고 있습니다. 원하는 효과가 매우 안정적인 것으로 나타났습니다. 완벽하지 않은 그래핀 조각이라도 기술적 응용에 잘 사용될 수 있습니다. 이는 전 세계 그래핀 커뮤니티에 좋은 소식입니다.

"우리는 작은 그래핀 조각에서 전류가 어떻게 전파되는지 원자 규모로 계산합니다"라고 TU Wien 이론 물리학 연구소의 Florian Libisch 교수는 말합니다. "전자가 물질을 통해 이동할 수 있는 방법은 여러 가지가 있습니다. 양자 물리학의 규칙에 따르면 전자는 이러한 경로 중 하나를 선택할 필요가 없습니다. 전자는 동시에 여러 경로를 사용할 수 있습니다."

이러한 다양한 경로는 다양한 방식으로 겹칠 수 있습니다. 매우 특정한 에너지 값에서 경로는 서로 상쇄됩니다. 이 에너지에서는 전자가 그래핀 조각을 통과할 확률이 매우 낮고 전류도 최소화됩니다. 이를 "파괴적 간섭"이라고 합니다.

Libisch는 “양자물리적 이유로 인해 매우 특정한 에너지 값에서 전류 흐름이 극적으로 감소한다는 사실은 기술적으로 매우 바람직한 효과입니다.”라고 설명합니다. "예를 들어 컴퓨터 칩에서 전자 부품이 수행하는 것과 유사한 작은 크기의 정보를 처리하는 데 사용할 수 있습니다."

이를 사용하여 새로운 양자 센서를 개발할 수도 있습니다. 그래핀 조각이 사실상 전류를 전혀 전도하지 않는다고 가정해 보겠습니다. 그러다 갑자기 외부의 분자가 그래핀 표면에 달라붙는다. "이 하나의 분자는 그래핀 조각의 전자 특성을 아주 조금만 변화시키며, 이는 이미 갑자기 전류 흐름을 급격하게 증가시키기에 충분할 수 있습니다"라고 Robert Stadler 박사는 말했습니다. "이것은 매우 민감한 센서를 만드는 데 사용될 수 있습니다."

그러나 세부적인 역할을 하는 물리적 효과는 매우 복잡합니다. "그래핀 조각의 크기와 모양은 항상 동일하지 않으며, 여러 전자 사이에는 수학적으로 계산하기 매우 어려운 다체 상호 작용이 있습니다. 일부 위치에 원치 않는 추가 원자가 있으면 원자가 항상 약간 흔들립니다. 그래핀 재료를 진정으로 현실적인 방식으로 설명하려면 이 모든 것을 고려해야 합니다."라고 Angelo Valli 박사는 말합니다.

이것이 바로 현재 TU Wien에서 달성한 것입니다. Valli, Stadler, Thomas Fabian 및 Libisch는 컴퓨터 모델에서 재료의 다양한 효과를 정확하게 설명하는 데 수년간의 경험을 가지고 있습니다. 그들은 전문 지식을 결합하여 이제 그래프에 존재하는 모든 관련 오류 소스와 교란 효과를 포함하는 포괄적인 컴퓨터 모델을 개발하는 데 성공했습니다. 이를 통해 그들은 다음과 같은 사실을 입증할 수 있었습니다. 이러한 오류 원인이 있는 경우에도 원하는 효과는 여전히 표시됩니다. 양자 효과로 인해 전류가 아주 작은 범위에서만 흐르는 특정 에너지를 찾는 것이 여전히 가능합니다. 이미 실험을 통해 이것이 타당하다는 것이 밝혀졌으나 지금까지 체계적인 이론적 조사가 이루어지지 않았습니다.