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‘금속-절연체간 상전이 특성’을 산소함량 차이로 규명(2013.03.13)
이름 : 최고관리자 | 작성일 : 2013.06.03 17:04 | 조회수 : 18458
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‘금속-절연체간 상전이 특성’을 산소함량 차이로 규명

 

상전이 특성제어 통해 차세대 전자소자 응용 개발의 길 열어

 

- 기초(연) 홍웅기 박사, ‘나노레터스(Nano Letters) 誌’에 논문 게재 -

 

 

 

 

□ 단결정 이산화바나듐(VO2)의 ‘금속-절연체 상전이(相轉移) 특성’을 산화물내의 산소함량 차이로 나타나는 현상 규명 및 특성제어에 성공함에 따라 이를 활용한 광소자, 차세대 메모리, 차세대 스위칭 소자 개발 등에 한걸음 더 다가서게 됐다.

※ 상전이(相轉移) 현상이란? : 고체, 액체, 기체 등의 상태가 서로 바뀌는 것을 말하며, 전기가 통하는 금속 상태에서 온도변화 등에 따라 전기가 통하지 않는 절연체로 변화되는 상전이(相轉移) 현상을 ‘금속-절연체 상전이(MIT : Metal-Insulator phase Transition)’라고 부른다.(추가 용어설명 참조)

 

□ 한국기초과학지원연구원(원장 정광화, 이하 기초연) 전주센터 홍웅기 박사 연구팀은, 공동교신저자인 광주과학기술원 김봉중 교수, 서울대 이탁희 교수와의 공동연구를 통해 ‘금속-절연체 상전이(相轉移) 특성’을 갖는 단결정 이산화바나듐(VO2) 나노산화물 내에서의 산소함량 정도에 따른 이산화바나듐(VO2)의 구조적, 화학적, 전기적 특성 변화에 미치는 영향을 규명함으로써 상전이 특성제어에 성공했다고 13일 밝혔다.

 

이번 연구는 기초(연)과 광주과학기술원 차세대에너지연구소, 교육과학기술부 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 나노 분야 최고 권위지인 ‘나노레터스(Nano Letters) 誌’의 3월 4일자 온라인판(논문명 : Hydrogen-Induced Morphotropic Phase Transformation of Single-Crystalline Vanadium Dioixde Nanobeams, IF=13.198)에 게재되었다.

 

□ 기초(연) 홍웅기 박사와 김봉중교수, 이탁희교수 공동연구팀은 고온의 수소환경에서 산소가 환원되는 특성을 고려하여 단결정의 열처리시간을 조절함으로써 단결정 이산화바나듐(VO2) 나노산화물의 산소함량 정도를 제어하였다.

 

□ 또한 연구팀은 이산화바나듐(VO2) 나노산화물의 산소함량 정도가 결정구조, 전기저항, 일함수(work function) 변화에 어떠한 영향을 미치는지 관찰함으로써 산소함량 정도와 결정 구조적, 전기적 상전이 현상의 상관관계를 규명하였다.

※ 일함수(work function)란? : 고체의 표면에서 한 개의 전자를 고체 밖으로 빼내는 데 필요한 최소의 일(work) 또는 에너지를 말함.

 

□ 이번 연구에서 공동연구팀은 산소함량 정도를 제어하기 위해 이산화바나듐(VO2) 나노단결정에 대해 각각 수소 열처리 전 상태, 1분에서 30분동안의 수소 열처리를 실시했으며, 이에 따른 산소함량 정도가 일함수와 전기저항에 어떤 변화를 주었는지를 비교 분석했다.

 

이를 통해 이산화바나듐(VO2) 나노단결정은 수소 열처리에 따른 산소함량이 감소될수록 일함수와 전기저항이 점진적으로 감소했다는 것을 수소 열처리를 하지 않은(= 산소함량감소가 없는) 상태와의 비교를 통해 규명이 이뤄졌다.

 

□ 특히 이번 연구결과는 수소나 금속이온 같은 불순물을 도핑하여 ‘금속-절연체 상전이(相轉移) 특성’의 원인을 밝히고 그 특성을 제어하는 기존 방법과 달리, 열처리에 의한 환원작용을 통해 산소함량 정도를 변화시켜 상전이 특성을 제어할 수 있음을 보여준 연구결과이다.

※도핑(doping)이란? : 고체결정 내에 필요한 불순물을 필요한 양만큼 첨가하는 것.

 

□ 기초(연) 전주센터 홍웅기 박사는 “이번 연구는 상전이 산화물내의 산소함량 정도를 제어하여 구조적, 화학적, 전기적 특성변화 및 상관관계를 규명하고 상전이 특성을 제어한 것으로 복잡한 상전이 현상에 대한 이해의 폭을 넓힌 것”이며, “향후 ‘금속-절연체간 상전이 현상’을 이용하는 차세대 메모리, 차세대 디스플레이, 센서, 스위칭 소자 등의 새로운 기능소자 개발 및 응용에 적극 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

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