MIT, 그래핀 아래 성장한 대면적 공기 안정형 단원자층 초전도체 양자회로 집적 성공

단원자층 초전도체의 가능성과 공기 안정성 문제

두께가 원자 몇 개 수준에 불과한 2차원 초전도 소재는 초전도 회로를 대폭 소형화할 수 있는 소재로 주목받아 왔다. 그 중 니오붐 이셀레나이드는 니오붐 원자층 양면에 셀레늄 원자층이 결합한 단원자층 구조로, 높은 운동 인덕턴스(kinetic inductance)를 가진다. 운동 인덕턴스가 크면 작은 면적에 많은 유도 에너지를 저장할 수 있어, 현재 조지프슨 접합(Josephson junction) 배열로 구현하던 기능을 초박막 소재 하나로 대체할 수 있다는 의미를 갖는다.

그러나 이 소재는 비활성 환경을 벗어나는 순간 산화가 시작돼 특성이 급격히 저하된다. 기존에는 소재 합성 후 그래핀이나 육각형 질화붕소(h-BN)를 위에 올려 보호하는 방식을 썼지만, 보호층을 씌우기 전 이미 산화가 진행되는 문제가 있었다. 이 때문에 실용 규모의 균일한 단원자층 박막 제작은 사실상 불가능했고, 박리 기법으로 얻은 소형 플레이크에 의존해야 했다.

역순 봉지 성장법: 그래핀을 먼저 깔고 아래에서 성장

MIT 연구팀이 제안한 접근법의 핵심은 성장 순서를 뒤집는 것이다. 기존 방식과 달리, 먼저 이산화규소(SiO₂) 기판 위에 그래핀을 올려둔 상태에서 전구체를 투입해 니오붐 이셀레나이드가 그래핀과 기판 사이의 틈에서 자라도록 유도한다. 이 틈의 두께는 1nm 미만으로, SiO₂ 기판이 전구체를 충분히 오래 붙잡아 결정핵 형성을 돕고, 그래핀은 전구체의 이동을 용이하게 해 넓은 면적에 걸쳐 균일한 단원자층이 형성되도록 한다.

이 방법으로 제작된 박막은 합성 완료 시점에 이미 그래핀으로 봉지된 상태가 되므로, 별도의 보호 공정 없이 대기 중으로 꺼낼 수 있다. 연구팀은 이 기법으로 2.5cm(약 1인치) 이상의 평탄하고 균일한 단원자층 NbSe₂ 박막을 제작하는 데 성공했다.

양자회로 집적과 전기적 연결 문제 해결

박막 제작에 이어 연구팀은 산화 없이 그래핀-NbSe₂ 구조를 성장 기판에서 분리하는 전사 기법을 개발했다. 이어 두께 약 1nm의 초박막과 수백 nm 두께의 전극 사이를 전기적으로 연결하는 난제를 해결하기 위해, 진공 챔버 내에서 박막 측벽을 식각(etching)해 평탄한 접촉면을 확보했다. 이렇게 제작된 소자를 기존 초전도 마이크로파 회로에 집적한 결과, 초전도 특성과 높은 운동 인덕턴스가 클린룸 공정과 회로 집적 이후에도 유지되는 것이 확인됐다.

확장성과 향후 방향

연구팀은 이 성장 전략이 단원자층 NbSe₂에만 국한되지 않으며, 다양한 물성을 가진 단원자층 양자소재 전반으로 확장 가능함을 시연했다. 장기적으로는 초전도 양자컴퓨팅 하드웨어의 소형화와 더불어, 통신·우주론 분야에서 활용되는 고감도 양자 검출기 기술에도 응용이 기대된다. 다만 실제 기능성 소자 아키텍처로의 구현과 대규모 수율 확보는 추가 연구가 필요한 단계다.