국내 연구진, 인듐원자선 저온에서의 상전이 현상 원인 규명

[아시아경제 정종오 기자]원자 크기의 미래 전자소자 개발 가능성이 열려 관심을 모으고 있다.

국내 연구진이 차세대 나노 전자소자로 주목받는 인듐원자선의 저온에서의 상전이 현상에 대한 원인을 규명해냈다. 실리콘 반도체 표면에서 인듐 원자들이 일렬로 조립돼 형성되는 인듐원자선의 특성 이해를 통해 원자 크기의 미래 전자소자 구현에 기여할 것으로 기대된다. 인듐원자선은 실리콘 표면에 지그재그 형태의 인듐사슬 2개가 나란히 정렬해 형성된 원자선을 말한다. 선폭이 1nm(나노미터)가 안 되는 대표적인 나노와이어이다. 온도변화에 따라 금속에서 비금속으로 상전이가 일어난다.

▲인듐원자선.[사진제공=교과부]

한양대 물리학과 조준형 교수와 김현중 박사과정학생이 이번 연구를 맡았다. 실리콘 표면에 인듐원자들이 일렬로 조립돼 형성되는 인듐원자선은 상온에서는 금속이지만 영하 150℃의 저온에서는 비금속이 돼 전도성을 잃게 되는데 그 원인에 대해서는 논란이 있었다.

금속에 있는 전자들이 격자들과 상호작용에 의해 격자구조가 어그러지는 이른바 '파이얼스 불안정성'에 의해 비금속화될 것으로 여겨왔는데 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(원자들이 전자를 서로 공유하면서 생기는 화학결합)과 반데르발스 상호작용(원자 또는 분자들의 순간적인 전하분포의 요동에 의해서 생기는 전기쌍극자들로 인하여 생기는 원자 또는 분자들 사이의 인력)에 의해 저온에서의 비금속화가 일어남을 규명해냈다. 전자와 격자 간 상호작용이 아닌 전자들의 상호작용에 의한 것임을 알아낸 것이다.
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한편 이번 연구에서는 통상 분자 간에 작용하는 것으로 알려진 반데르발스 힘이 원자 간의 상호작용에도 기여할 수 있다는 사실도 새로이 밝혀졌다. 조준형 교수는 "이번 연구를 통해 1차원 원자선에서 그동안 논란이 돼 왔던 금속-비금속 상전이 현상의 원인에 대한 의문을 해소해 앞으로 차세대 나노 전자소자의 물성을 이해하는데 새로운 전기를 마련한 것"이라고 말했다.

정종오 기자 ikokid@
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