[테크월드=방제일 기자] 지스트(광주과학기술원) 물리‧광과학과 이종석 교수 연구팀이 전이금속 산화물 박막에서 압축응력 완화로 인해 금속 물질이 전기분극을 가질 수 있음을 발견했다.
이를 전자회로 소자에 적용함으로써 집적도가 높은 고용량 데이터 저장 장치 혹은 높은 축전용량을 가진 배터리의 구현을 기대할 수 있다.
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 발견됐고, 자유 전자에 의해 전기분극이 차단되는 경로를 약화시킴으로써 인공적으로 전기분극을 갖는 금속(이하 극성금속)을 구현하고자 하는 노력들이 응집물리 학계에서 지속적으로 시도돼 왔다.
연구팀은 박막상태의 물질에서 존재하는 응력과 그 응력의 이완 과정에 초점을 맞추고, 스트론튬 루테늄 산화물(SrRuO3) 박막에서의 응력 이완 과정에서 극성 금속 상태가 원자층 두께 수준으로 나타날 수 있음을 확인했다.
연구팀은 비선형 광학현상인 제 2 조화파와 주사투과전자현미경을 이용해 압축응력을 받은 스트론튬 루테늄 산화물 박막에서 응력으로 인해 변형된 구조와 응력이 완화돼 덩어리화된 구조가 공간적으로 분리된 채 공존하며, 응력이 완화되는 과정에서 중심대칭 특성이 깨진 극성 삼사정계 구조가 안정화됨을 성공적으로 관측했다.
이와 더불어 제일원리계산을 이용해 산소팔면체 회전패턴의 공간적 비대칭 분포로 인해 극성상이 안정화되고, 금속성과 강자성 특성이 유지됨을 확인했다.
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 연구와 신물질 개발에 기여할 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.
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