인듐원자선의 저온 상전이 현상을 설명하는 새로운 이론 정립

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조재성
등록 2013-03-18 15:47:00

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국내 연구진이 차세대 전자소자로 주목받는 인듐원자선*의 저온에서의 상전이 현상에 대한 원인을 규명해냈다. 실리콘 반도체 표면에서 인듐 원자들이 일렬로 조립되어 형성되는 인듐원자선의 특성 이해를 통해 원자 크기의 미래 전자소자 구현에 기여할 것으로 기대된다.
*인듐원자선 : 실리콘 표면에 지그재그 형태의 인듐사슬 2개가 나란히 정렬하여 형성된 원자선. 선폭이 1nm가 안되는 대표적인 나노와이어. 온도변화에 따라 금속에서 비금속으로 상전이가 일어남.

한양대학교 물리학과 조준형 교수와 김현중 박사과정학생이 수행한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업(핵심)과 KISTI 슈퍼컴퓨팅연구지원사업의 지원으로 수행되었고, 물리학 분야 권위지 피지컬리뷰레터스지(Physical Review Letters) 최신호(3월 15일자)에 게재되었다.

(논문명: Driving Force of Phase Transition in Indium Nanowires on Si(111))

실리콘 표면에 인듐원자들이 일렬로 조립되어 형성되는 인듐원자선은 상온에서는 금속이지만 영하 150oC의 저온에서는 비금속이 되어 전도성을 잃게 되는데 그 원인에 대해서는 논란이 있었다.

금속에 있는 전자들이 격자들과의 상호작용에 의해 격자구조가 어그러지는 이른바 파이얼스 불안정성에 의해 비금속화될 것으로 여겨져 왔지만 이에 근거해서는 금속상태가 비금속상태보다 에너지가 안정된 것으로 계산되는 등 인듐원자선의 물성을 올바르게 기술하지 못하는 한계가 있었다.

연구팀은 전자와 격자간의 상호작용 때문이라는 기존 이론을 깨고 인듐 원자들 사이에 나타나는 공유결합*과 반데르발스 상호작용*에 의해 저온에서의 비금속화가 일어남을 규명해냈다. 전자와 격자간 상호작용이 아닌 전자들의 상호작용에 의한 것임을 알아낸 것이다.

* 공유결합 : 원자들이 전자를 서로 공유하면서 생기는 화학결합

* 반데르발스 힘 : 원자 또는 분자들의 순간적인 전하분포의 요동에 의해서 생기는 전기쌍극자들로 인하여 생기는 원자 또는 분자들 사이의 인력

연구팀은 기존 밀도범함수* 이론을 보완한 정밀한 이론연구를 통해 인듐원자선의 상온 금속상 구조와 저온 비금속상 구조 사이의 에너지 우위와 차이를 예측해냈다.

* 밀도범함수 이론 : 실험데이터 없이 양자역학에 기초하여 물질 내에 있는 전자 밀도의 정보만을 토대로 물질의 전자구조와 물성을 계산하는 이론방법

- 기존 이론이 가진 내재적인 모순인 전자 자신과의 상호작용을 배제하고 원자들의 순간적인 전하분포의 요동에 의해서 생기는 반데르발스 상호작용을 추가로 고려했다. 그 결과 비금속 상태가 금속 상태에 비해 안정화되는 것을 보임으로서 실험결과와 일치하는 이론을 정립할 수 있었다.

한편 이번 연구에서는 통상 분자 간에 작용하는 것으로 알려진 반데르발스 힘이 원자 간의 상호작용에도 기여할 수 있다는 사실도 새로이 밝혀졌다.

조 교수는 '이번 연구를 통해 1차원 원자선에서 그동안 논란이 되어 왔던 금속-비금속 상전이 현상의 원인에 대한 의문을 해소하여 향후 차세대 나노 전자소자의 물성을 이해하는데 새로운 전기를 마련한 것“이라고 연구의의를 밝혔다.

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