지스트, 압축응력 완화에 의해  

전기분극을 갖는 금속 발견

-금속 산화물 박막의 압축응력 완화 과정에서 극성구조 발현... 고용량 데이터 저장 장치 및 배터리 구현 기대 

□ 지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 물리‧광과학과 이종석 교수 연구팀이 전이금속 산화물 박막에서 압축응력* 완화로 인해 금속 물질이 전기분극을 가질 수 있음을 발견하였다.

∘ 이를 전자회로 소자에 적용함으로써 집적도가 높은 고용량 데이터 저장 장치 혹은 높은 축전용량을 가진 배터리의 구현을 기대할 수 있다.

*압축응력(Compressive strain): 면내(in-plane) 방향으로 압축하는 방향으로 작용하는 응력

□ 물질이 갖는 전기적 특성은 물질 내부에서 전기가 잘 통하는 정도에 따라 금속/비금속으로 구분할 수 있다. 그중에서도 비금속는 양극(+) 또는 음극(-)의 전기분극을 가질 수 있는 여부에 따라 극성과 무극성으로 구분된다. 한편, 일반적으로 전기가 흐르는 금속 물질은 전기분극을 가질 수 없다. 이는 금속 내부의 자유전자가 전기분극을 원천적으로 차단하기 때문이다.

∘ 그럼에도 불구하고 금속성과 전기분극이 공존하는 극성 도체가 자연계에 존재할 수 있음이 발견되었고, 자유 전자에 의해 전기분극이 차단되는 경로를 약화시킴으로써 인공적으로 전기분극을 갖는 금속(이하 극성금속)을 구현하고자 하는 노력들이 응집물리 학계에서 지속적으로 시도되어 왔다.

□ 연구팀은 박막상태의 물질에서 존재하는 응력과 그 응력의 이완 과정에 초점을 맞추고, 스트론튬 루테늄 산화물(SrRuO3) 박막*에서의 응력 이완 과정에서 극성 금속 상태가 원자층 두께 수준으로 나타날 수 있음을 확인하였다.

*스트론튬 루테늄 산화물(SrRuO3) 박막: 전기적 전도특성과 강자성* 특성을 갖는 대표적인 전이금속 산화물이며, 덩어리 구조로서 사방정계 구조를 갖는다.

□ 연구팀은 비선형 광학현상인 제 2 조화파*와 주사투과전자현미경**을 이용하여 압축응력을 받은 스트론튬 루테늄 산화물 박막에서 응력으로 인해 변형된 구조와 응력이 완화되어 덩어리화된 구조가 공간적으로 분리된 채 공존하며, 응력이 완화되는 과정에서 중심대칭 특성이 깨진 극성 삼사정계 구조가 안정화됨을 성공적으로 관측하였다.

∘ 이와 더불어 제일원리계산***을 이용하여 산소팔면체 회전패턴의 공간적 비대칭 분포로 인하여 극성상이 안정화되고, 금속성과 강자성 특성이 유지됨을 확인하였다.

*제 2 조화파(Second harmonic generation): 물질에 빛을 조사(irradiation) 했을 때, 물질로부터 반파장 대역을 갖는 빛이 발생하는 현상

**주사투과전자현미경(Scanning turnneling electron transmission microscopy): 높은 전압으로 가속시킨 전자빔을 시편에 투과시켜 고배율로 확대된 상을 얻는 현미경

***제일원리계산(First-principles calculation): 이론적으로 고려하는 모델과 변수를 최소화하여 물질의 특성을 분석하는 방법

□ 이종석 교수는 “본 연구성과는 학술적, 응용적 활용가치가 높은 전이금속 산화물의 구조를 제어하는 방법으로 응력완화현상이 이용될 수 있음을 새롭게 제시했다는데 큰 의미가 있다”면서, “이를 통해 산화물 박막에서의 다양한 기능성을 발현시킬 수 있고, 나아가 응집물질 연구 및 신물질 개발에 기여할 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.

□ 지스트 이종석 교수(교신저자)가 주도하고 노창재 연구원(제1저자)이 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 기초연구사업(중견연구자지원사업) 및 선도연구센터지원사업(SRC)의 지원을 받아 수행되었으며, 2020년 9월 11일 나노과학 분야의 저명 학술지인 Small(2019 JCR impact facotr: 11.459) 온라인으로 게재되었다. <끝> 

(그림 a) 응력완화현상으로 인한 산소팔면체 구조의 비대칭 회전

(그림 b) 투과전자현미경을 통해 관측된 기판-계면 부근의 스트론튬 루테늄 산화물 박막 이미지

(그림 c-e) 제 2 조화파를 이용하여 관측된 스트론튬 루테늄 산화물 박막 내 구현되는 c) 사방정계 d)삼사정계 e)정방정계 구조의 대칭특성