광주과학기술원(GIST)은 이종석 물리·광과학과 교수팀이 최우석 성균관대 물리학과 교수팀과 공동으로 금속과 비금속으로 이뤄진 초격자 구조에서 원자 수준의 정밀한 제어를 통해 전자와 격자 간 상호작용 세기를 자유롭게 제어하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.
전자와 격자 간 상호작용은 고체 내부에서 일어나며 초전도성과 같은 전자의 물리적 성질과 열전소자, 광전소자 등의 성능을 결정하는 데 큰 역할을 한다. 미래 소자 효율을 높이려면 전자와 격자 간 상호작용의 세기를 높여야 하는 데 물질마다 지닌 고유한 성질이라서 인위적으로 조절하기 어렵고 정량적으로 측정하기도 쉽지 않다.
연구팀은 금속 산화물인 스트론튬 루테늄산염과 비금속 산화물인 스트론튬 티탄산염을 결합시킨 초격자 형태로 제작한 인공복합구조물 각 층의 두께와 반복 횟수를 원자 단위로 정밀하게 조절해 상호작용 세기를 자유롭게 제어했다. 최적 조건에서 세기가 300배 이상 증가했으며 두께가 얇고 반복 횟수가 많을수록 상호작용의 세기가 증가하는 것으로 나타났다.
연구팀은 금속 산화물 내 2차원 상태 전자와 초격자 간의 상호작용에 의해서도 상호작용의 세기가 크게 증가한다는 사실을 규명했다. 극초단 펨토초 레이저를 이용한 펌프-프루브 열반사율 실험을 통해 전자와 격자 간 상호작용의 세기를 정밀하게 측정했다.
이종석 교수는 “물질의 고유한 성질인 전자와 격자 간 상호작용의 세기를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 이를 크게 향상시킬 수 있음을 밝혀냈다”며 “열전소자나 광전소자 작동속도와 효율성을 근본적으로 개선시킬 새로운 플랫폼을 제시하고 미래 광전소자와 열전소자 등의 에너지 효율 향상에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자사업, 나노 및 소재 기술개발사업 등의 지원을 받아 두 교수와 최인혁 GIST 박사과정생, 정승교 성균관대 박사가 공동 수행했다. 재료과학 기초·응용 연구분야 유명 학술지인 '어드밴스드 사이언스' 온라인에 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
