홍웅기 기초연 박사팀, GIST 김봉중·서울대 이탁희 교수 공동연구

국내연구진이 단결정 이산화바나듐의 '금속-절연체 상전이' 특성을 산화물내의 산소함량 차이로 규명하고 특성을 제어하는데 성공했다. 한국기초과학지원연구원(원장 정광화)은 전주센터 홍웅기 박사 연구팀이 광주과학기술원(GIST) 김봉중 교수·서울대 이탁희 교수와 공동연구를 통해 산소함량에 따라 금속-절연체 상전이 특성을 갖는 단결정 이산화바나듐에 구조적·화학적·전기적 변화에 미치는 영향을 규명했다고 13일 밝혔다.
 
◆상전이(相轉移) 현상=고체, 액체, 기체 등의 상태가 서로 바뀌는 것을 말한다. 전기가 통하는 금속 상태에서 온도변화 등에 따라 전기가 통하지 않는 절연체로 변화되는 상전이 현상을 ‘금속-절연체 상전이(MIT.Metal-Insulator phase Transition)’라고 부른다.

연구팀은 고온의 수소환경에서 산소가 환원되는 특성을 고려해 단결정의 열처리시간을 조절함으로써 단결정 이산화바나듐 나노산화물의 산소함량 정도를 제어했다. 또 연구팀은 이산화바나듐 나노산화물의 산소함량 정도가 결정구조, 전기저항, 일함수(work function) 변화에 어떤 영향을 미치는지 관찰해 산소함량 정도와 결정 구조적, 전기적 상전이 현상의 상관관계를 규명했다.

연구 결과 이산화바나듐 나노단결정은 수소 열처리에 따라 산소함량이 감소될수록 일함수와 전기저항이 점진적으로 감소한다는 사실이 밝혀졌다. 특히 이번 연구결과는 수소나 금속이온과 같은 불순물을 도핑해 금속-절연체 상전이 특성의 원인을 밝히고, 기존 방법과 달리 열처리에 따른 환원작용을 통해 산소함량 정도를 변화시켜 상전이 특성을 제어할 수 있다는 사실을 보여줬다는데 큰 의미가 있다는 것이 연구진의 설명이다.
 

◆일함수(work function)=고체의 표면에서 한 개의 전자를 고체 밖으로 빼내는 데 필요한 최소의 일(work) 또는 에너지. ◆도핑=고체결정 내에 필요한 불순물을 필요한 양만큼 첨가하는 것.

홍웅기 기초연 박사는 "이번 연구는 상전이 산화물내의 산소함량 정도를 제어해 복잡한 상전이 현상에 대한 이해의 폭을 넓힌 것"이라며 "앞으로 금속-절연체간 상전이 현상을 이용하는 차세대 메모리, 차세대 디스플레이, 센서, 스위칭 소자 등에서 널리 활용될 수 있을 것으로 보인다"고 말했다.

이번 연구는 교육과학기술부 리더연구자지원사업으로 수행됐으며, 연구결과는 나노 분야 최고 권위지인 '나노레터스(Nano Letters)'지 온라인판에 게재됐다.

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