양상모 ICT융합공학부 응용물리전공 교수가 산화물 초박막(oxide ultrathin film)의 스텝 가장자리(step edge)에서 양자역학적인 터널링 전류가 증가할 수 있다는 것을 발견하고 이를 전자 재구성(electronic reconstruction)이라는 물리현상으로 설명할 수 있다는 연구결과를 최근 발표했다고 밝혔다.

 이번 연구는 양 교수와 서울대학교 IBS 강상관계물질 연구단이 공동으로 수행하였으며, 교내연구지원사업과 IBS 연구단의 지원을 받았다. 해당 연구결과는 지난 10월 12일 재료과학분야의 세계적 학술지인 Advanced Materials(2016년 기준 IF=18.96, 재료과학 상위 1.85%)에 온라인 게재됐다.

(논문명: Electronic-reconstruction-enhanced Tunneling Conductance at Terrace Edges of Ultrathin Oxide Films)

 양 교수에 따르면 두 개의 금속 전극 사이에 전기적으로 절연체인 유전체(dielectrics)물질이 있는 것을 축전기(capacitor)라고 한다. 유전체의 두께가 충분히 두껍다면 축전기에는 전류가 당연히 흐를 수 없다. 하지만, 유전체의 두께가 불과 수 나노미터(1 nm = 10 억분의 1 m) 밖에 되지 않는 초박막 축전기의 경우, ‘양자역학적 터널링’(quantum mechanical tunneling) 현상이 가능해지기 때문에 축전기에 전류가 흐를 수 있게 된다. 최근 이와 같은 양자역학적 터널링 현상을 이용하여 보다 향상된 성능을 갖는 차세대 전기소자에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 대표적인 예로 강유전체 물질을 터널링 장벽으로 이용하는 강유전체 터널 접합(ferroelectric tunnel junction)을 들 수 있다.

 터널링 소자의 올바른 작동을 위해서는 당연히 터널링 전류 이외의 다른 전류는 흐르지 않아야 한다. 양 교수와 서울대 연구팀은 강유전체 BaTiO3 초박막의 스텝 가장자리에서 예기치 않은 매우 큰 전류가 흐름을 관측하였다. 이와 같은 기이한 전류 증가의 원인을 밝히고자 미국 Oak Ridge National Laboratory의 최신 주사 탐침 현미경 (scanning probe microscopy)을 이용해 국소적인 영역의 전류-전압 거동을 수 나노미터 사이즈에서 이해하였다. 또한 제일원리계산을 통해 이론적인 원인 규명도 시도했다.

(그림1. (a) 강유전체 BaTiO3 두께가 3 u.c.(unit cells)과 5 u.c.일 때 표면형상(topography)과 전류 이미지. 스텝 가장자리에서 전류가 많이 흐름을 확인할 수 있다. (b) 스텝과 스텝 가장자리에서의 BaTiO3 unit cell의 개략도. 위치에 따라 Ti의 원자가가 4＋에서 3.5＋로 바뀔 수 있음을 보여준다. 보다 자세한 것은 논문을 참고하기 바란다. 출처: L. Wang et al., Advanced Materials 29, 1702001 (2017), DOI: 10.1002/adma.201702001）

 연구팀은 이러한 노력을 통해 관측한 현상이 인위적인 결과가 아닌, 스텝 가장자리에서 일어나는 전자 재구성에 따른 터널링 장벽 두께 감소 때문이라는 것을 밝힐 수 있었다. 뿐만 아니라 이와 같은 전류 증가 현상은 산화물을 증착할 때 쌓는 순서를 조절함으로써 해결할 수 있음을 보였다. 양 교수는 “이번 연구 결과는 양자역학적 터널링 현상을 기반으로 하는 차세대 전기소자의 신뢰성 있는 작동을 위해서 해결해야 하는 중요한 문제를 학계에 보고하고 그 원인을 규명했으며 해결책을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다”며“하나의 특정 시스템에 국한된 것이 아니라, 많은 산화물 초박막에 적용될 수 있기 때문에 양자역학적 터널링 기반 전기소자의 신뢰성 있는 구현을 위해 큰 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.