김관표 교수팀, 탄소나노튜브 내 새로운 1차원 자성체 합성

나노튜브를 활용해 1차원 나노 자성체 구조 정밀 제어법 제시

재료과학 분야 세계적 학술지 ‘Advanced Materials’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 이양진 박사, UC버클리 최영우 박사, 김관표 교수]

이과대학 물리학과 김관표 교수가 이끈 국제 공동 연구팀이 새로운 구조의 1차원 자성 전이금속 삼할로겐 화합물 물질 합성에 최초로 성공했다. 연구 결과는 재료과학 분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF 29.4)’에 9월 28일 온라인 게재됐다.

전이금속 삼할로겐 화합물(Transition Metal Tri-halide)은 MX3(M: 금속 Cr, V; X: 할로겐 Cl, Br, I) 구조의 팔면체가 서로 모서리(Edge) 결합을 통해 벌집 구조 형태를 이루는 2차원 자성 물질이다. 원자 한 층 두께의 매우 얇은 두께에서도 자성을 띠어 새로운 자성 현상 연구에 큰 주목을 받고 있으나, 빛, 산소, 수분에 취약해 실험적으로 다형체(Polymorph) 탐구 및 구조 제어 연구에는 어려움이 있었다.

이에 김관표 교수 연구팀은 UC버클리 알렉스 제틀(Alex Zettl) 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 나노튜브 합성 템플릿을 이용해 전이금속 삼할로겐 화합물의 팔면체 결합 방식을 제어한 1차원 자성 구조체를 합성했다. 또한 나노튜브 내부에 합성된 1차원 전이금속 삼할로겐 화합물은 외부 환경 노출에도 매우 안정함을 확인했다.

또한 국제 공동 연구팀은 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 및 우리 대학교 기초과학연구원 나노의학연구단의 초고분해능 투과전자현미경을 이용해 새로운 물질 구조 분석에 성공했다. 연구팀은 원자 단위 이미징을 통해 1차원 전이금속 삼할로겐 화합물의 단위체인 팔면체가 면(Face)을 공유해 1차원 체인을 형성함을 확인했다. 이와 함께, 다른 종류의 금속과 할로겐 원소를 사용해 동일한 구조의 1차원 체인을 합성할 수 있음을 실험적으로 보이고, 이 구조가 매우 안정된 구조임을 입증했다.

이와 더불어 UC버클리 마빈 코헨(Marvin Cohen) 교수 연구팀은 제일원리 계산을 수행해 나노튜브에서 내부 물질로의 전하이동(Charge Transfer)이 1차원 구조체를 안정화하며, 강자성(Ferromagnetic) 특성이 있음을 확인했다.

[그림. 전이금속 삼할로겐 화합물 원자 모델 모식도 및 실험 관찰 원자 이미지. 

(위) 나노튜브 내부에 합성된 1차원 전이금속 삼할로겐 화합물 체인 구조 모식도. 

(아래) 투과전자현미경으로 관찰한 다양한 종류의 전이금속 삼할로겐 화합물 원자 이미지]

김관표 교수 연구팀은 “본 연구는 나노튜브 합성 템플릿을 이용해 외부 환경에 매우 민감한 전이금속 할로겐 화합물을 원자 수준에서 제어할 수 있음을 실험적으로 보인 것”이라며, “새로운 특성을 갖는 나노물질에 대한 탐구 가능성이 기대된다.”고 연구의 의미를 설명했다.

한편, 본 연구는 물리학과 이양진 박사와 UC버클리 박사후연구원 최영우 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단의 박사후 국외연수, 세종과학펠로우십, 중견연구자지원사업, 선도연구지원사업(반데르발스물질연구센터), 기초과학연구원 나노의학연구단 및 연세시그니처 연구클러스터사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

논문정보

● 논문제목: One-Dimensional Magnetic MX3 Single-Chains (M = Cr, V and X = Cl, Br, I)

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/adma.202307942