KIMS 해외단신 115호 (2012.03.06)

플루오르화풀레린으로 n형 유기반도체 일분자막 형성에 성공

   일본 마이나비뉴스 2012년 3월 1일자 기사에서는 일본 이화학연구소(이연)와 공동연구팀이 플루오르화풀레린으로 n형 유기반도체 일분자막을 형성하는데 성공했다고 밝혔다.

   다음은 관련기사에서 발췌, 번역한 내용이다.

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   이화학연구소(이연)는 새로운 n형 유기반도체로 주목받고 있는 플루오르화풀레린(C60F36)분자를 전극재료인 금(Au)의 단결정에 균일한 일분자층 두께의 막으로 형성하는데 성공했고, 또한 그 막이 화학적으로 안정한 n형의 성질을 유지한다는 사실을 발견했다. 이번 성과는 이연기간연구소 Kim표면계면과학연구실, 동경대신영역창성학과, 한국기초과학기술연구원의 공동연구팀이 이루어낸 것으로 미국 과학잡지 ‘ACS Nano'에 게재되기에 앞서 온라인판(2월13일)에 게재되었다.

   현재 전자디바이스 및 광디바이스재료로는 실리콘 등의 무기반도체 디바이스가 주류이지만 종류 및 성질의 다양성, 유연성, 프로세스의 간편성 등 요구사항이 많아지면서 유기분자를 이용한 태양전지 및 전계효과 트랜지스터 등 유기반도체 디바이스의 개발이 한창 진행되고 있다. 하지만 실용화를 위해서는 몇 가지 문제점이 있으며 그 중 하나로 홀(플러스전하)을 전송하는 p형 유기반도체는 그 수가 많은 반면 전자(마이너스전하)를 운송하는 n형 유기반도체의 종류가 현저하게 적은 것을 들 수 있다. 일반적으로 유기분자는 전자를 다른 재료에 주기 쉬워 자신은 전자를 잃고 홀을 운송하기 쉬우며 반대로 전자를 얻기 쉬워 전자를 운송하기 쉬운 n형으로는 풀레린C60이 거의 독점적으로 사용되고 있는 실정이다.

   또한 여러 종류의 다른 재료를 겹겹이 쌓은 구조를 가진 유기박막 디바이스에서는 층계면을 지나가는 전하의 종류와 이를 통과하기 쉽다는 점을 제어하는 것이 중요하다. 가령 목적에 부합하는 성질의 분자를 합성할 수 있어도 전극 및 다른 분자층과 접촉시킴과 동시에 분자의 성질이 변화해버리는 경우가 있다. 특히 전하로 사용되는 금속에는 대기 중에서도 화학적으로 안정된 것이 좋지만 이들 금속은 일함수가 커 분자에서 전자를 취하는 것이 매우 쉬워 풀레린C60에서도 n형을 유지하지 못하는 것이 문제였다. 그래서 디바이스성능을 향상시키기 위해서는 풀레린C60보다도 강한 전자를 끌어당기는 성질의 분자를 찾아내는 것이 요구되어 왔다.

   연구팀은 풀레린C60에 전자를 부여하는 능력이 뛰어난 불소원자(F) 36개를 가지고 있는 플루오르화풀레린(C60F36)에 착목하여 같은 물질이 화학적으로 안정한 전극재료인 금의 표면에서 어떠한 막을 형성하고 실제로 n형의 성질을 유지하는가에 대한 조사를 실시했다.

   우선 금의 단결정 표면상에 플루오르화풀레린을 진공 안에서 증착시켜 원자레벨의 공간분해능력을 가지는 주사터널현미경(STM)으로 금과 계면을 이루는 첫 번째 분자막의 구조를 관찰했다. 그 결과 실온에서 분자는 규칙적으로 치밀하게 배열되어 있지만 각 분자가 바라보는 방향은 각각 달라 전기적으로 불균일하다는 점, 그렇기 때문에 디바이스로써 좋은 성능을 기대할 수 없다는 점을 알 수 있었다. 연구팀은 시료를 100℃정도로 가열해 분자에 충분한 에너지를 부여하면 모든 분자가 같은 방향을 바라보는, 전기적으로 균일한 막을 형성한다는 사실을 알게 되었다.

   더욱이 주사터널분광(STS)법으로 전자상태를 조사한 결과 띠 간격이 5.6eV로 일반적으로 유기반도체분자가 나타내는 1∼3eV보다도 크다는 사실, 홀이 막에 흘러들어갈 가능성이 낮은 안전한 n형의 기능을 가진다는 사실을 알게 되었고 이는 유기반도체 디바이스에서 전자운송층으로 사용될 수 있다는 사실을 시사했다.

   연구팀은 이번 성과에 대하여 향후 유기반도체 디바이스의 고성능·고기능화를 위한 재료선택 및 분자합성에 있어 그 기준이 될 것이라고 기대했다.
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