ICT융합공학부 응용물리전공 양상모 교수 연구팀이 차세대 전기소자 물질로 활발하게 연구되고 있는 강유전체 초박막에서의 분극 거동을 표면의 흡착 이온 효과까지 고려하여 이해하였고 이를 통해 mixed electrochemical-ferroelectric 상태라는 새로운 강유전 상태를 발견했다.

이번 연구는 양 교수와 미국 오크리지 국립연구소 Sergei Kalinin 박사 팀이 공동으로 수행했으며, 연구결과는 관련 분야 최고 권위의 학술지인 네이처 피직스 (Nature Physics, IF=18.791, 물리분야 상위 2.53%)에 지난 5월 1일 온라인 게재됐다.

(논문명: Mixed electrochemical-ferroelectric states in nanoscale ferroelectrics)

양 교수에 따르면 강유전체는 어떤 임계 온도 이하에서 외부 전기장이 없더라도 두 개의 구별 가능한 분극 (polarization) 상태를 지니는 물질로, 특히 외부 전기장에 의해 두 상태 (즉 분극 업/다운) 간의 스위칭이 가능하다.

이러한 두 분극 상태는 “0”과 “1”의 비트 (bit)로 이용될 수 있기 때문에, 실리콘 기반 DRAM (Dynamic Random Access Memory)이나 Flash memory를 대체할 ‘차세대 비휘발성 메모리’ 물질로써 지난 수십 년간 활발히 연구되어 왔다.

최근에는 그 두께가 수 나노미터 (1 nm, 10 억분의 1 m)에 불과한 강유전체 초박막 (ultrathin film)에서 분극 방향에 따라 양자역학적인 터널링 전류가 달라짐을 이용하여 ‘강유전체 터널 접합’ (ferroelectric tunnel junction)이라는 새로운 전기 소자 (메모리나 스위치로 응용가능)로 이용하고자 하는 노력도 활발히 이루어지고 있다.

이러한 차세대 전기 소자의 구현을 위해서는 매우 얇은 강유전체 박막에서의 분극 거동에 대해서 명확히 이해하는 것이 반드시 필요하다. 그러나 얇은 두께 때문에 통상적인 실험 방법으로는 분극 변화의 양상을 신뢰성 있게 측정하는 것이 매우 어려웠다.

(강유전체 BaTiO3 두께에 따라 cKPFM이라는 주사 탐침 현미경 기술의 신호의 변화. ML은 monolayer의 약자로 예를 들어 10 ML는 BaTiO3 10층 (약 4 nm)을 의미한다. 출처: S. M. Yang et al., Nature Physics (2017), DOI: doi:10.1038/nphys4103）

양상모 교수와 Sergei Kalinin 박사팀은 최신 주사 탐침 현미경(scanning probe microscopy) 기법을 이용해 강유전체 BaTiO3 초박막에서의 나노스케일 분극 거동을 신뢰성 있게 측정하는데 성공했다. 특히 강유전체 표면의 흡착 이온 효과까지 고려해, 강유전체 박막의 두께가 줄어듦에 따라 ferroelectric 상태에서 mixed electrochemical-ferroelectric 상태, non-ferroelectric 상태로 바뀌는 것을 실험적으로 관측했다. 지금까지 크게 주목하지 않았던 표면의 전기화학적인 효과를 고려한 mixed electrochemical-ferroelectric 상태의 발견은 최근 비-강유전체(non-ferroelectric) 물질에서 보인 여러 특이 현상들에 대한 해답을 제시해줄 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다. 실험결과의 해석과 관련한 열역학기반 이론 계산은 우크라이나 National Academy of Sciences의 Anna Morozovska 교수팀이 수행했다.

양 교수는 “최근 강유전체 초박막을 응용해 새로운 전기소자를 만들고자 하는 노력이 활발히 진행되고 있는데, 본 연구에서 얻어진 초박막에서의 분극 거동에 대한 근본적인 이해는 그러한 노력에 큰 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 우리대학 교내연구지원사업의 지원을 비롯해 미국 Department of Energy, 프랑스 National Research Agency 등의 지원을 받았다.