[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

재료의 표면이나 계면에서는 공간 반전 대칭성(spatial inversion symmetry)1)이 붕괴되어 있는데 이러한 계에서는 전자의 산란관계가 라쉬바 효과(Rashba effect)2)라 불리는 스핀 궤도 상호작용(spin-orbit interaction)3)으로 인해 전자스핀과 운동량이 함께 속박되어있는 전자구조를 갖는다. 이와 같이 공간반전 대칭성이 붕괴된 시스템에서 특정 방향으로 자기장을 걸어 시간 반전 대칭(time reversal symmetry)4)이 붕괴되면 축퇴 상태였던 업스핀과 다운스핀의 두 에너지 밴드가 이동하여 결국 페르미 준위(Fermi level)5)의 전자들이 특정 방향으로 전기장의 영향을 잘 받아 선택적인 전류 흐름을 보여 줄 수 있다. 이와 같이 온사게르 상반 법칙(Onsager reciprocal relation)6)에 위배되는 비상반적인 수송 특성(nonreciprocal charge transport)7)은 일반적으로 페르미 준위에 비해 스핀궤도 상호작용이 상대적으로 매우 작아서 미세한 섭동 형태로 나타나며 일반적으로 그 효과가 매우 작아 실험적으로 검출하기도 쉽지 않다.

비상반적 수송 특성이 크게 나타나기 위해서는 스핀 궤도 상호작용이 전자 수송에 크게 영향을 미쳐야 한다. 이를 위해서는 상대적으로 낮은 페르미 준위를 갖는 전자가 2차원에 속박된 시스템들이 적합하다. 특히, 강한 라쉬바 효과가 작용하는 이종접합 산화물 전도층이 유망하며, 대표적으로 LaAlO₃/SrTiO₃ 접합 계면이 있다. 또한, LaAlO₃/SrTiO₃ 접합 계면에서는 전자의 d 궤도들의 계층구조로 인해 페르미 준위의 위치에 따라 라쉬바 효과의 세기가 크게 변하는 특성을 지닌다. 이는 게이트 전압 인가에 따라 라쉬바 효과와 함께 비상반적 수송 특성의 크기를 제어 가능해 차세대 스핀트로닉스(spintronics)8) 소자에 다양하게 응용할 수 있을 것이다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 공간 반전 대칭성이 붕괴된 2차원 산화물 전도층 LaAlO₃/SrTiO₃ 접합 계면에서 비상반적인 수송 특성의 규명과 게이트 전압 인가에 따른 방향성 전류 흐름의 크기 제어를 증명했다. 이를 위해 연구팀은 습식 식각과 열처리를 통해 TiO₂ 표면층을 가지는 SrTiO₃ 기판에 펄스 레이저 증착기로 LaAlO₃가 증착된 시료를 제작했다. 그 후 계면 전도층의 수송 특성을 분석을 위해 플라즈마 에칭과 전자빔(e-beam) 리소그래피 등 패턴 공정을 바탕으로 홀 바(Hall-bar) 형태의 LaAlO₃/SrTiO₃ 소자를 제작했다.

비상반적 전류 수송 특성의 실험적 규명은 교류전압에 따른 신호 분석으로 그 대칭성을 확인하기에 적합하다. 비선형 전류 수송에 대한 성분은 가해준 교류 전압 진동수의 2배에 해당하는 2차 조화 성분(2nd Harmonic)으로 분해 가능한데 이를 위상에 따른 증폭기를 활용하여 검출했다. 또한, 이러한 방향성 전류 흐름은 라쉬바 장의 방향과 외부 자기장의 방향에 서로 수직인 방향으로 대칭성을 갖게 되는데, 이를 증명하기 위해 외부 자기장의 방향에 따른 신호 검출로 그 대칭성을 규명했다.

앞서 언급한 대로 LaAlO₃/SrTiO₃ 접합 계면은 전자의 d 궤도들의 계층구조로 인하여 페르미 준위의 위치에 따라 라쉬바 스핀 궤도 상호작용의 세기가 급격히 변하는 특성을 갖는다. 본 실험에서 게이트 전압 인가에 따라 비상반적인 수송 특성의 크기가 특정 게이트 전압에서 크게 확대되는 것을 규명했다. 이는 비상반적인 수송특성이 라쉬바 효과의 세기와 직접적으로 비례한다는 것을 검증한 것이며 비상반적인 수송특성 분석으로부터 소재의 라쉬바 효과 세기를 유추할 수 있는 것을 보여준다. 게이트 전압 인가에 따른 LaAlO₃/SrTiO₃에서의 비 상반적 수송 특성은 기존의 커다란 라쉬바 효과를 가지는 위상 물질에 비해 그 세기가 약 100배 정도로 크게 증가시킬 수 있는 것을 확인했다.

연구팀은 가해준 자기장의 세기에 따른 비상반적 수송의 특성을 분석해, 이런 특성이 크게 일어나는 원인을 파악했다. 이는 LaAlO₃/SrTiO₃에서 대칭성 붕괴로 인한 에너지인 라쉬바 효과와 자기장에 의한 제이만 에너지9)가 전도 전자가 갖는 페르미 준위 에너지에 크기만큼 크기 때문에, 즉 페르미 에너지가 상대적으로 낮기 때문으로 설명됐다. 페르미 에너지가 상대적으로 낮아서 라쉬바 효과와 자기장에 의한 제이만 효과가 상대적으로 전자의 운동에 영향을 더 크게 미쳐 비상반적 수송 특성이 거대하게 나타나는 것이다. 이와 같은 비상반적 수송 특성에 대한 이해는 향후 공간반전 대칭성이 붕괴된 다양한 극성 물질에서 비상반적인 수송 특성의 크기가 증폭되는 새로운 소재 발굴 및 개발에 중요한 단서가 된다.

3. 기대효과

비상반적인 수송 특성이 보다 극적으로 나타나는 조건을 새롭게 제시하여 새로운 정류소재 및 소자 개발과 응용 가능성을 보여주었다. 특히, 자성 소재에서는 자기 모멘트의 방향에 따라 정류회로의 방향 제어가 가능하므로 차세대 자성메모리 및 논리소자 응용이 가능할 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 공간 반전 대칭성(Spatial inversion symmetry)
응집물리 계의 구조상 공간 축의 부호를 뒤집는 변환을 했을 때 (x → -x) 거울 대칭된 현상처럼 변화가 없는 경우를 말한다.

2. 라쉬바 효과(Rashba effect)
재료의 표면이나 계면등 공간 반전 대칭성이 붕괴된 계에서 경계면에 수직으로 작용하는 내부 전기장으로 인하여 나타나는 전자의 스핀과 궤도운동량의 상호작용을 일컫는다.

3. 스핀궤도 상호작용(Spin-orbit interaction)
전자의 스핀과 궤도 운동량이 서로 결부되어 나타나는 상호작용으로서 이로 인하여 전자스핀과 궤도 운동량이 더 이상 독립적으로 보존되지 않게 되며 일례로 라쉬바 효과가 있다.

4. 시간 반전 대칭성(Time reversal symmetry)
시간이 흐름을 거꾸로 변환하였을 때 (t → -t) 나타나는 대한 물리 법칙의 대칭성으로 계의 운동을 반전했을 때 나타나는 물리적 현상의 대칭으로 이해 할 수 있다.

5. 페르미 준위(Fermi level)
페르미-디랙 통계에서 화학적 위치에너지 μ 이며 이는 임의의 온도에서 페르미-디랙 분포로 전자가 채워질 확률의 1/2인 에너지 준위가 된다.

6. 온사게르 상반 법칙(Onsager reciprocal relation)
열역학적 비평형 상태에서 나타나는 다양한 물리적 양의 상호적인 수송 특성으로 열역학 제4법칙 이라고도 일컫는다.

7. 비상반적인 전류 수송(Nonreciprocal charge transport)
시간 반전 대칭 대칭성을 만족하지 않는 전류수송으로 양단의 전기장을 반전시켜 전류의 흐름을 반대로 바꾸면 크기가 달라지는 현상이다.

8. 스핀트로닉스 (spintronics)
전자의 전하와 스핀의 자유도를 함께 고려하여 기존의 전자소자의 한계점을 개선하고자 하는 차세대 전자공학을 말한다.

9. 제이만 에너지(Zeeman Energy)
원자 또는 분자 자기 모멘트(스핀)와 인가 자기장 사이에 상호작용하는 에너지

[붙임] 그림설명

그림1. 비상반적 전자수송 모식도 (a) (왼쪽) 원래 전자의 스핀 방향과 궤도 운동량은 개별 값이지만 ‘라쉬바 효과’에 의해 스핀(그래프의 색이 스핀을 구분함)과 운동량(X축)이 결부된 전자밴드 구조를 만들 수 있다. Y축의 값은 에너지이다. (오른쪽) 자기장을 특정 축방향으로(Y축)걸어주게 되면 에너지 값이 비대칭적으로 변해 한쪽방향으로만(-X축) 전류가 더 잘 흐르는 특성이 나타난다. (b) 그로 인한 비상반적인 전류수송 특성 효과를 나타내는 모식도. 밴드구조의 비대칭성으로 인해 특정(그림에서는 파란 화살표) 방향으로 흐르는 전류의 흐름이 더 크다.

그림2. 비상반적 전류수송 측정 실험 결과 (a) LaAlO₃/SrTiO₃ 산화물 계면 전도층에서의 비선형 전류수송 측정을 위한 실험 모델. (b) 교류 신호 분석으로 검출되는 2차 조화 성분(2nd Harmonic, Y축)은 계면에서의 자기장 방향에 따른 비상반적인 전류수송 특성을 보여준다. 전류수송에 비상반성이 없을 경우 2차 조화성분은 검출되지 않는다. (c) 게이트 전압(Vg) 인가에 따라 비상반적 전류의 흐름이 증가한다.