[이대수, 이길호 교수] 선택적 원자 기울기를 통한 다기능성 극성 상태 구현

같은 원자, 다른 순서로 재료의 한계를 넘다.

원자층 ‘그라데이션’으로 기존 물성은 유지하고 새로운 기능은 더하다.

 POSTECH 물리학과 이대수·이길호 교수 연구팀은 신소재공학과 최시영 교수, 숭실대학교 박세영 교수 연구팀과 공동으로, 페로브스카이트 산화물의 A-자리 원자 조성을 원자층마다 정밀하게 변화시키는 ‘선택적 원자 구배(selective atomic gradient)’를 이용해 기존 물성을 유지하면서 강한 극성과 다양한 기능성을 동시에 구현하는 새로운 소재 설계 전략을 개발했다. 이번 연구는 국제학술지 Science에 게재됐다.

(DOI: 10.1126/science.adv0235)

 극성은 압전, 초전, 비선형 광학 등 다양한 기능성의 기반이지만 금속성이나 특정 결정구조와 쉽게 공존하지 않는다. 연구팀은 전자적 성질을 주로 결정하는 B-자리 원자는 유지하고, 격자 크기에 영향을 주는 A-자리 원자의 비율만 두께 방향으로 변화시켜 큰 변형 구배(strain gradient)를 형성했다. 이 변형 구매에 의해 발생하는 변전성(flexoelectricity)을 이용해 본래 중심대칭인 물질에도 강한 극성을 유도했으며, 원자 구배의 방향을 반대로 하면 극성의 방향 역시 반전됨을 확인했다. 

 이 전략을 금속성 (Sr,Ca)IrO₃에 적용하자 금속성을 유지하면서도 전류 방향에 따라 저항이 달라지는 비가역 수송 특성이 나타났으며, 원자 구배의 방향을 뒤집으면 전기적 방향성도 함께 반전됐다. 또한, 약 5.1 nm 두께의 (Ba,Ca)TiO₃ 초박막에서는 높은 유전율과 낮은 유전손실, 낮은 누설전류를 동시에 구현했으며, 약 0.09 nm의 등가산화막두께(EOT)와 비슷한 두께의 BaTiO₃보다 약 100배 높은 초전 특성을 확보했다.

 이번 연구는 극성을 기존 물성과 단순히 공존시키는 데 그치지 않고, 극성과 기존 물성의 결합을 통해 새로운 기능성이 발현되거나 향상될 수 있음을 보여줬다는 점에서 의미가 있다. 또한 “어떤 원소를 넣을 것인가”뿐 아니라 “원자를 어떤 순서로 쌓을 것인가”를 새로운 소재 설계 변수로 제시함으로써, 향후 자성체·초전도체 등 다양한 양자물질과 다기능성 소재로 확장될 수 있는 보편적 설계 전략을 제시했다.

 이대수 교수는 “새로운 원소를 더하지 않고도 원자를 쌓는 순서만 바꿔 재료의 원래 장점은 살리면서 새로운 기능을 더할 수 있음을 입증했다”며, “앞으로 이 방법을 자성체와 초전도체 등 다양한 물질로 확장해 새로운 양자·위상 물성을 구현하고, 초박막 절연막과 열 센서 등 실제 소자로 발전시키는 후속 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

 한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 삼성종합기술원(SAIT), 과학기술정보통신부·한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다.

＊공동 제1저자: 김상현(물리, 통합), 한기정(물리, 통합), 황수윤(신소재, 박사), 노가희(신소재, 박사)

＊교신저자: 이대수(물리), 이길호(물리), 최시영(신소재), 박세영(숭실대 물리)

＊선택적 원자 기울기 기반 소재·소자 관련 지식재산 확보