구조적 특징

  흑연은 원자 크기 수준의 평평도를 가지고 있기 때문에 STM 연구의 기판으로 많이 사용되어 왔다. 하지만 그러한 흑연에서 박리된 그래핀은 이상적인 2차원 구조물이 아니라는 사실이 최근 연구에서 밝혀졌다. TEM grid에 걸쳐진 freestanding 그래핀은 기저면에 수직 방향으로 대략 1nm 정도의 진폭을 갖는 주름을 가지고 있다. 평면 방향으로의 주기는 수 nm에해당한다. 이 놀라운 3차원적인 변형은 복층 그래핀의 두께가 증가할수록 감소해서 결국 흑연의 완벽한 평평도로 수렴하게 된다. 곧이어 발표된 계산 연구 또한 그래핀이 주름져 있다는 사실을 확인하였다. 이러한 그래핀의 변형은 유한한 온도에서 2차원 물질이 존재할 수 없다는 Mermin과 Wagner의 가설과도 부합하는 것처럼 보인다.

[그림] Si/SiO2 기판 위에 박리된 그래핀의 STM 이미지. 표면의 굴곡을 강조하기 위해 Z – 축 스케일을 확대함.

  [그림]에서처럼 고체 기판 위에 박리된 그래핀은 기판과의 van der Waals 상호 작용으로 인해 추가적인 변형을 겪는 것으로 이해되고 있다. 이러한 변형은 통상 1nm 정도의 roughness를 갖는 Si/SiO2 기판 위에 올려진 그래핀을 AFM 또는 STM으로 관찰한 연구에서 밝혀졌다. 특히 AFM 연구 결과는 그래핀이 기판의 굴곡을 따라 상당한 정도로 변형된다는 사실을 보여주었다. 하지만 변형의 진폭과 공간적인 주기가 freestanding 그래핀의 자발적인 변형과 흡사하여 기판에 의한 효과를 분명하게 보여주지는 못하였다.특히 최근 발표된 STM 연구 결과는 기판 위에 박리된 그래핀도 freestanding 그래핀과 일정 정도 유사한 변형을 겪는다는 점을 시사하고 있다.

  한편 원자 크기 수준에서도 기판에 의한 고유한 변형이 일어난다는 증거들이 발견되고 있다. 그래핀을 구성하고 있는 탄소 원자들이 이론상으론 모두 동일한 전자적 환경에 처해 있기 때문에 STM 이미지에서 모두 대등하게 관찰이 되어야만 할 것이다. 그러나실제 이웃한 탄소 원자들조차도 현저하게 다른 높이로 관찰이 되는 등 구조적 불규칙성이 관찰되고 있다.이러한 종류의 짧은 파장을 갖는 변형은 그래핀이 sp2만이 아니라 부분적으로 sp3 형태의 탄소 결합을 가질수도 있음을 시사한다. 최근 소개된 그래핀의 산화 반응 연구가 제안하듯이 구조의 변화는 그래핀의 화학적 활성을 좌우할 수 있다는 점에서 중요하며 앞으로 추가 연구가 필요하다고 여겨진다.

   STM 연구가 밝힌 또 한 가지 흥미로운 사실은 단일층 그래핀과 복층 그래핀이 서로 상이한 STM 이미지를 보여준다는 점이다. 그래핀의 모든 탄소 원소는 동일한 전자적 환경에 있지만, 복층 그래핀의 탄소는 흑연과 마찬가지로 두 가지 다른 환경에 처하게 된다. 이러한 이유로 단일층 그래핀은 벌집구조의 STM이미지를 보여주는 반면, 복층 그래핀은 hexagonal격자의 이미지를 나타내게 된다.