광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 이종석 물리·광과학과 교수팀이 전이금속 산화물 박막에서 압축응력 완화로 극성 도체상태가 발현될 수 있다는 사실을 규명했다고 22일 밝혔다.
일반적으로는 금속 내부 자유전자가 극성이 나타나는 것을 원천 차단해 도체에서는 극성이 생기지 않는다. 그럼에도 불구, 응집물리학계에서는 자유전자에 의해 극성이 차단되는 경로를 약화시킴으로써 금속성과 극성이 공존하는 도체를 구현하는 노력이 이뤄져왔다.
연구팀은 모든 박막에서 존재하는 응력과 그 응력의 이완 과정에 초점을 맞추고 스트론튬 루테늄 산화물 박막의 응력 이완과정에서 극성 금속상태가 원자층 두께 수준으로 나타날 수 있다는 것을 밝혀냈다.
스트론튬 루테늄 산화물 박막은 전기 전도와 강자성 특성을 갖는 대표적인 전이금속 산화물이다. 박막형태로 스트론튬 티타늄 산화물 기판에 성장할 때 압축 응력을 받은 스트론튬 루테늄 산화물 박막은 산소팔면체 회전변화에 따라 정방정계 구조가 안정화된다.
연구팀은 비선형 광학현상인 제2 조화파와 주사투과전자현미경을 이용, 압축응력을 받은 스트론튬 루테늄 산화물 박막에서 응력으로 변형되고 완화돼 덩어리화된 구조가 분리된 채 공존한다는 사실을 확인했다. 응력 완화 과정에서 중심 대칭 특성이 깨진 극성 삼사정계 구조가 안정화되는 현상도 관측했다. 산소팔면체 회전패턴의 공간적 비대칭 분포로 극성상이 안정화되고 전기·자기 특성이 유지되는 것으로 나타났다.
이종석 교수는 “학술 및 응용활용가치가 높은 전이금속 산화물의 구조를 제어하는 방법으로 응력완화현상을 이용할 수 있음을 새롭게 제시했다”면서 “극성금속을 전자회로 소자에 적용함으로써 집적도가 높은 고용량 데이터 저장 장치나 높은 용량을 갖는 축전지 구현을 기대할 수 있을 것”이라고 말했다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
