이종박막구조(Thin Film Heterostructure)란 두 가지 이상의 물질들이 박막 구조로 접합된 소재의 한 형태이다. 두 가지 이상의 물질들을 계면 결합을 통해 조합하는 뛰어난 조작성 때문에 물질의 새로운 기저상태를 발현시키거나 고성능·고효율 다기능성 소자를 구현하는 주요 소재 기술로 주목받고 있다.
울산대학교(총장 오연천) 반도체학과 김태헌 교수, UNIST(총장 이용훈) 물리학과 오윤석 교수, University of Science and Technology of China의 Lingfei Wang 교수, 아주대학교(총장 최기주) 물리학과 이형우 교수, 성균관대학교(총장 유지범) 물리학과 최우석 교수로 구성된 공동 연구팀은 극 섭동(Polar Perturbation)들이 산화물 이종박막구조의 새로운 기능성들을 구현하는 데 중요한 통제변수임을 제시했다.
1956년 노벨 물리학상을 수상한 John Bardeen, Walter Brattiain, William Shockley가 발명한 최초의 트랜지스터인 점-접촉식-트랜지스터는 진공관 대비 작은 크기, 저발열, 저전력 등의 장점을 가진다. 하지만, 산화물 박막을 활용한 금속-산화막-반도체-전계효과-트랜지스터(MOSFET) 개발 이후 더 작은 크기의 트랜지스터 소자가 구현돼 산업화가 가능해졌다.
그림1. 산화물 이종박막구조의 물리적 특성들에 영향을 미치거나 새로운 기능성을 구현하는 데 활용 가능한 극 섭동들(Polar Perturbations)
MOSFET의 주요 구성 요소인 산화물 이종박막구조는 박막에서 나타나는 고유한 기능적 특성과 흥미로운 고체물리학적 특성으로 인해 전 세계적으로 많은 연구 및 개발이 진행되고 있다. 특히 에피텍시얼 산화물 이종박막구조(Epitaxial Oxide Thin Film Heterostructure)는 서로 다른 복합 산화물로 구성돼 결정학적으로 잘 정렬된 격자구조를 가지고 있어 전이금속 산화물 내 전자들 사이의 강한 상관관계로 인해 숨겨진 새로운 기저상태를 발현하고, 이러한 발현된 기저상태의 물리학적 기작을 미시적으로 이해하고 규명할 수 있다. 이러한 구조는 새로운 기능성 반도체와 양자 소재를 설계하고 구현하며, 합성된 박막 소재와 소자의 기능성을 향상시키기 위한 차세대 플랫폼으로 활용될 수 있다.
이 논문에서 공동 연구팀은 산화물 이종박막구조의 다기능성을 더욱 발전시킬 수 있는 요소로써, 이종박막구조 내 다양한 극 섭동 인자들을 제시했다. 이러한 극 섭동 인자들은 박막이 제작되면서 형성되는 본질적 요소들과 가역적으로 제어가 가능한 외부적 요소들로 구분했다. 이런 본질적·외부적 극 섭동 요소들이 어떻게 산화물 박막 기반 나노 소자들의 기능성을 향상시키는데 응용될 수 있는지를 내부 물리 메커니즘과 함께 체계적으로 정리했다.
이번 연구는 저명한 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)“에 5월 12일자로 온라인 공개됐다.
