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그래핀, 보론 나이트라이드, 그리고 관련된 물질의 전자, 광학, 포논 물성


<재단 제26기 해외유학장학생 UC-Berkeley 물리학과 2009년 12월 졸업, 현 UC-Berkeley 연구원>

2004년 탄소 원자들이 단일 원자 두께의 벌집 모양의 구조로 배열이 된 그래핀을 최초로 분리해 내었을 때부터 이 새로운 물질은 물리, 화학, 재료과학, 그리고 공학 분야의 연구자들로부터 큰 관심을 받아왔는데, 이는 그래핀 내부의 전자 수송자가 중성미자와 같이 디랙 포인트를 중심으로 하여 선형 에너지 관계와 카이럴한 특성을 갖기때문만은 아니고 그래핀이 나노 혹은 마이크로 크기의 전자 및 스핀 소자의 응용에 가능성이 많은 후보이기때문이다.

반면에 육각형 구조의 보론 나이트라이드 한 장은 그래핀의 탄소 원자들 중에 반은 보론 반은 질소로 치환이 된 점만 제외하고는 그래핀과 같이 벌집형의 구조를 갖는다. 그러나 이렇게 구조가 비슷함에도 불구하고 보론 나이트라이드는 큰 에너지 갭을 갖는 부도체이며 자외선 레이저와 같이 광학적인 응용에 유용할 것이라고 사람들이 생각하고 있다.

이 연구에서 우리는 그래핀, 보론 나이트라이드, 그리고 나노튜브나 나노리본과 같이 연관된 물질들에 대해서 제일원리 계산과 더불어 모델을 이용하여 전자, 광학, 그리고 진동과 관련된 성질들을 탐구한다.



1 장에서는 본 연구에 사용된 방법론(밀도 함수론, GW 근사, 배테-샐피터 방정식을 이용한 방법, 밀도 섭동 함수론)을 간략하게 살펴본다.

2 장부터 5 장까지는 그래핀의 스팩트럴한 특징들에 관한 계산 결과를 논의 하고 이를 주로 각도 분해 광전 분광학 (ARPES) 실험 결과와 비교한다. 우리의 계산에서는 직접 전자-전자 상호 작용 및 전자-포논 상호작용의 효과를 제일원리로부터 고려했다. 우리의 계산은 실험에서 관찰한 많은 입자간의 상호작용에따라 나타나는 몇몇의 중요한 스팩트럴한 특징들을 성공적으로 재현한다. 예를 들면 디랙 콘의 위쪽 반과 아래쪽 반이 서로 만나지 않는 점과 전하의 에너지의 불확실성이 에너지에따라 변하는 복잡한 성향을 잘 재현하는 점 등을 들 수 있다.

6 장부터 8 장까지는 그래핀 두 장을 붙여놓은 구조에 관하여 기술한다. 6 장과 7 장에서는 이 물질에서 많은 입자들간의 상호장용이 전자 및 포논의 움직임에 미치는 영향을 2 장에서부터 5 장까지와 비슷한 방식으로 논의한다. 두 장의 그래핀 사이의 상호작용이 전자-전자 및 전자-포논 상호작용을 (한 장일 때와 비교하여) 바꾼다는 것을 보인다. 8 장에서는 이 물질에 수직으로 전기장을 걸어놓았을 때 생기는 엑시톤에 관해 논의하는데 특별히 속박된 엑시톤이 이 물질의 광학적 성질을 크게 바꾸는 것을 보인다.

9 장에서부터 12 장까지는 그래핀에 주기적인 퍼텐셜이 가해졌을 때 전하들이 보이는 재미있는 성질에 관해서 논의한다. 예를 들면, 전하의 속력이 움직이는 방향에따라 다르게 변하게 되는데 특정한 조건이 만족되면 한 쪽 방향의 속력이 완전히 0이 되어서 전자들을 공간상에서 퍼트리지 않고 움직이는 것이 가능해짐을 이론적으로 예측한다. 또한 이러한 물질에서 새로 생기는 질량이 없는 디랙 페르미온과 그것의 존재를 양자 홀 실험에서 관측할 수 있는 방법을 제시한다.

13 장에서는 보통의 이차원 전자 계에 외부에서 주기적인 퍼텐셜을 가해서 질량이 없는 디랙 페르미온을 만들 수 있는 방법(즉 인위적으로 그래핀과 유사한 물질을 만드는 방법)을 논의한다.

14 장에서부터 16 장 까지는 보론 나이트라이드와 관련된 물질의 성질들을 다룬다. 14 장에서는 보론 나이트라이드 나노 리본의 전자 밴드 갭과 전하의 유효 질량에 관한 계산 결과를 제시하고 그 결과들이 리본에 수직인 전기장이 걸렸을 때 어떻게 바뀌는가를 설명한다. 15 장과 16 장에서는 보론 나이트라이드 나노튜브와 벌크 보론 나이트라이드의 엑시톤 및 광학 특성에 관하여 각각 논의한다.






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