다이아몬드는 가장 단단할 뿐 아니라, 아름답고 투명한 색깔 때문에 보석의 으뜸으로 꼽힌다. 단단한 특성을 이용해서 절단, 시추 또는 연마 등에 빼놓을 수 없는 재료로 이용된다.

이뿐만 아니라, 다이아몬드는 초고열 전도성, 뛰어난 전기 충전 이동성, 높은 강도, 초광대역 밴드갭 등의 특성을 가지고 있어서 매우 훌륭한 고성능 전자 및 광자 재료로 활용될 수 있다. 이 중 밴드갭은 반도체가 필요로 하는 중요한 특성으로, 밴드갭이 넓으면 고출력 또는 고주파 장치 반도체 장비 개발이 가능하다.

그러나 다이아몬드의 큰 밴드갭과 촘촘한 결정구조는 반도체 생산에서 전자적 특성을 조절하는 방법인 '도프(dope)' 공정이 어려워 큰 잠재력에도 불구하고 전자 및 광전자 장치에 적용되지 못했다.

변형 공학 이용, 다이아몬드 구조 바꿔

이를 해결할 수 있는 방법은 변형 공학(strain engineering)을 활용하는 것이다. 다이아몬드에 격자형으로 매우 큰 변형을 가해 전자 밴드 구조를 변경함으로써 다이아몬드가 전자재료로 활용될 수 있도록 하는 것이다. 하지만 다이아몬드는 매우 단단한 물질이기 때문에 그동안 불가능할 것으로 여겨져 왔다.

시티홍콩대학의 루 양(Lu Yang) 교수 연구팀은 이 불가능해 보이는 과제에서 벌써 두 큰 산을 넘었다. 2018년 루 박사 연구팀은 나노 스케일의 다이아몬드를 '탄성 변형 공학'을 이용해서 늘어나게 하면, 다이아몬드의 물리적 성질을 바꿀 수 있다는 것을 확인했다.

루 박사 연구팀은 사이언스(Science) 저널 최신호에 발표한 후속 논문에서 이 같은 특성을 활용하면 기능성 다이아몬드 장치를 개발하는 데 어떻게 활용될 수 있는지를 다시 한번 보여 주었다.

연구팀은 먼저 고체 다이아몬드 단일 결정체에서 미세 조립된 단일 결정체 다이아몬드 샘플을 추출했다. 샘플은 길이 약 1000나노미터(nm), 폭 300나노미터로 마치 다리 같은 모양이었으며 양쪽 끝이 넓었다.

연구팀은 이 '다이아몬드 다리'를 전자 현미경 안에서 정밀하게 조절해서 늘어나게 하는데 성공했다. 연속적인 인장 실험을 실시해보니 '다이아몬드 다리'는 약 7.5% 정도 균일하게 늘어났다가 원래 모습으로 되돌아왔다.

미국시험재료학회(ASTM) 표준을 사용하여 샘플의 기하학적인 모양을 최적화함으로써, 연구팀은 최대 9.7%의 균일한 인장 변형률을 달성했다. 이는 이론적인 다이아몬드의 탄성 한계에 근접하는 것이다.

그러나 실험의 목적이 단지 다이아몬드를 늘리기 위한 것은 아니다.

연구팀은 0%에서 12% 사이의 서로 다른 변형률 수준에서 다이아몬드의 전자적 성질을 측정했다. 연구팀은 인장 변형률이 증가할수록 다이아몬드의 밴드갭이 감소한다는 것을 발견했는데, 이는 본질적으로 다이아몬드가 전기적으로 더 전도성이 강해진다는 것을 의미한다.

특히 연구팀은 9% 이상 다이아몬드를 늘리면 다이아몬드 밴드갭이 간접에서 직접으로 바뀐다는 것을 발견했다. 그것은 다이아몬드를 통과하는 전자가 광자를 직접 방출하는 광전자 장치를 더 효율적으로 만들 수 있다는 것을 의미한다.

이러한 발견은 나노 사이즈 다이아몬드의 탄성 변형 공학을 성취하기 위한 초기 단계이다. 연구팀은 나노 크기에서 다이아몬드의 구조가 변화할 수 있고, 더 중요한 것은 이러한 변화가 지속적이고 가역적일 수 있다는 것을 입증했다.

이는 변형된 트랜지스터인 마이크로/나노 전자기계 시스템(MEMS/NEMS)에서부터 광전자 및 양자 기술에 이르기까지 다아이몬드를 다양하게 응용할 수 있음을 보여주는 것이다.