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강유전 산화물 계면의 전기화학적 현상 세계 최초 규명(2014.08.18)
이름 : 관리자 | 작성일 : 2014.08.19 10:12 | 조회수 : 1635

강유전 산화물 계면의 전기화학적 현상 세계 최초 규명

 

원자구조와 계면현상을 동시에 관찰하는 획기적 분석방법 개발

- 기초지원연 김영민 박사, ‘Nature Materials' 誌에 논문 발표 -

 

□ 박막형 차세대 메모리 개발의 핵심소재인 강유전체(强誘電體) 산화물의 계면(界面, interface)에서 일어나는 전기화학적 현상과 물질의 원자구조를 동시에 관찰할 수 있는 분석방법이 개발됨에 따라 각종 산화물 전자소자 개발 연구가 탄력을 받을 전망이다.

한국기초과학지원연구원(원장 정광화, 이하 기초지원연) 전자현미경연구부 김영민 박사는 차세대 메모리 및 정보 저장 소자로 주목받고 있는 강유전체 산화물의 자발적 분극(分極)이 계면에서 전기화학적으로 조절되는 현상을 ‘수차보정 전자현미경’을 활용하여 원자단위에서 직접 관찰하는데 세계 최초로 성공했다고 8월 18일 밝혔다.

□ 이번에 개발된 분석기술은 ‘수차보정 전자현미경’의 극소 공간에 대한 이미징기능을 극대화시킨 예로서 고체 물질의 계면에서 일어나는 전기화학적 현상과 물질의 원자 구조를 동시에 관찰할 수 있는 획기적인 연구방법으로 평가받고 있다.

□ 지금까지 ‘수차보정 전자현미경’을 활용한 연구는 물질의 원자 구조와 구성 성분만 관찰하는데 주로 그쳤는데 이번에 개발된 분석법을 통해 산화물 계면에서 발생하는 전기화학적 현상을 동시에 관찰할 수 있게 됨에 따라 그 동안 베일에 가려졌던 물리 현상을 직접 보면서 이해할 수 있게 되어 기초과학 뿐만 아니라 관련 신소재 개발 연구도 강력한 추진력을 얻게 될 전망이다.

이번 연구성과는 기초지원연과 미국 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Lab.)의 공동연구를 통해 이뤄졌으며, 물리 및 재료과학 분야 세계 최고 권위의 학술지인 ‘네이처 머트리얼스(Nature Materials)' 8월 17일자 온라인판 (논문명: Direct observation of ferroelectric field effect and vacancy-controlled screening at the BiFeO3-LaxSr1-xMnO3 interface, 김영민(주저자), IF=35.749)에 게재됐다.

□ 지금까지 전기적 분극(分極)을 띄는 물질의 표면이나 계면에서는 전하(電荷)의 축적을 상쇄시키는 감극(減極)현상이 발생하며, 이는 물리학적으로 양전하와 음전하의 분극 방향에 따라 전하 운반체인 전자-정공의 재배열에 의해 일어나는 것으로 알려져 왔다.

□ 그러나 유전체와 전극의 계면에서 일어나는 실제 물리현상을 잘 설명하지 못하는 경우가 많았으며, 지난 20여년간 유전체 재료에서 감극현상이 일어나는 정확한 메카니즘을 풀기 위해 재료과학 및 물리학계의 집중적인 연구가 이뤄져, 최근에는 계면에서 산소 빈자리(空孔, Oxygen Vacancy ; 물질 구조 내 산소 원자의 빈자리)가 존재할 때도 유전체의 분극 거동이 달라질 것이란 전기 화학적 해석이 제시되었다.

□ 이번 연구에서 김 박사는 대표적인 다중강성체(多重强性)인 비스무스페라이트(BiFeO3) 박막의 계면에서 분극의 방향에 따라 감극현상이 일어나는 이유가 다름을 원자단위에서 처음으로 규명하였으며, 이를 위해 ‘수차보정 투과전자현미경’을 활용하여 원자의 위치 변화를 피코미터(pm; 1조분의 1미터=10-12m) 단위로 추적하였고, 계면에서 일어나는 화학적 변화를 직접 관찰하기 위해 ‘전자에너지손실분광기’를 활용하여 계면에서 바뀌는 금속원소의 산화상태를 직접 이미징하는데 성공하였다.

□ 이를 통해 양전하가 모인 계면에선 산소 공공이 재배열함으로서 감극이 이뤄지는 반면 음전하가 모인 계면에선 전자-정공의 재배열에 의해 감극이 제어된다는 사실을 발견한 것이다.

□ 특히 산소 공공은 전자보다 이동속도가 낮기 때문에 외부 전기장을 가해 분극 방향을 바꾸어 주는 분극 스위칭을 할 때 산소 공공의 전기화학적 요소가 스위칭 속도에 더 큰 영향을 미치게 되므로 산화물 유전체(誘電體)를 메모리 및 기억 소자로 응용할 때 소자의 성능을 예측하는데 중요한 정보를 줄 것으로 전망된다.

□ 기초지원연 전자현미경연구부 김영민 박사는 “이번 연구를 통해 그 동안 과학계의 숙제로 남아있던 감극현상의 원리를 규명할 수 있었던 것은 ‘원자단위에서 직접 보면서 이해’할 수 있는 가장 직관적 분석 체계인 ‘수차보정 전자현미경’의 막강한 잠재력을 이용할 수 있었기 때문”이라며, “앞으로 재료의 구조-성질간의 상관관계를 규명할 수 있는 전자현미경 분석기술 개발에 더 박차를 가할 것이다‘라고 포부를 밝혔다.

 

문의처 : 기초지원연 전자현미경연구부 김영민 박사

(042-865-3947, mirage91@kbsi.re.kr)

 

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