차세대 나노전자 소자…새로운 전기 마련

국내연구팀 "원자선의 전기적 성질 제어"

▲실리콘 표면에 형성된 인듐 (붉은색) 원자선. 그림 왼쪽은 상온에서 금속상의 인듐 원자선의 구조.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자]원자선의 전기적 성질을 제어해 나노스케일의 전자소자 구현을 앞당길 수 있는 길이 열렸다. 국내연구팀이 나노원자선에서 금속과 절연체상이 공존하는 기저 상태(에너지가 가장 낮고 안정된 상태)를 발견했다.

차세대 나노스케일의 전자소자로 주목받는 인듐원자선에서 구조결함을 이용해 금속상과 절연체상이 공존하는 안정된 상태를 발견하고 이러한 현상이 일어나는 메커니즘을 규명한 것이다. 실리콘 반도체 표면에서 인듐 원자들이 일렬로 조립돼 형성되는 인듐원자선의 금속 및 절연체상을 압축변형에 의해 제어가 가능하다는 것을 보여줘 나노 스케일에서의 미래 전자소자 구현에 기여할 것으로 기대된다.

실리콘 표면에 형성된 인듐원자선은 1차원 전자시스템에서 일어나는 흥미로운 물리현상을 이해하는 모델시스템으로서 많은 관심을 받고 있다. 특히 실리콘 표면에 인듐원자들이 일렬로 조립돼 형성되는 인듐원자선은 상온에서는 금속이지만 영하 150℃의 저온에서는 절연체로 상전이가 일어나게 돼 전도성을 잃게 되는데 그 원인에 대해서는 오랫동안 논란이 있어왔다.

실제 원자선과 같은 나노구조물을 전자소자로 이용하려면 원자선이 갖고 있는 전기적 특성을 이해해야 하고 또 원자선의 전기적 특성을 효과적으로 제어할 수 있어야 한다. 연구팀은 인듐원자선에 구조결함을 주게 되면 압축변형이 일어남을 밝혔다. 이런 구조 변화는 금속상과 절연체상의 안정성을 유사하게 만들어 금속·절연체 상전이 온도를 낮추는 결과를 초래한다. 이 때문에 극저온에 도달해서도 금속상과 절연체상이 안정된 형태로 공존하는 이른바 상분리 상태라고 불리는 새로운 기저상태를 발견했다.

한양대 물리학과 김현중 박사과정생(공동제1저자), 조준형 교수(공동교신저자) 연구팀과 중국과학기술대학 연구팀의 국제공동연구를 통해 이뤄진 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 이승종)의 원자력기반확충사업(전략기초)과 KISTI 슈퍼컴퓨팅연구지원사업의 지원으로 수행됐다. 물리학 분야 피지컬리뷰레터스지(Physical Review Letters) 최신호(11월 3일자, 논문명:Stabilization and Manipulation of Electronically Phase-Separated Ground States in Defective Indium Atom Wires on Silicon)에 실렸다.

조 교수는 "이번 연구를 통해 미래 나노 전자소자로 주목 받고 있는 1차원 인듐원자선에서 금속·절연체 상태가 공존하는 새로운 기저상태를 발견했다"며 "이를 구조 결함과 외부전기장을 통해 제어할 수 있음을 보여 앞으로 차세대 나노 전자소자 개발에 새로운 전기를 마련한 것"이라고 설명했다.