오상호·송경 박사, 양자현상에 기인하는 전자 분포와 밀도 변화 최초로 직접 관찰
결정 방위가 다른 산화물 계면에 형성된 2차원 전자가스의 inline 전자홀로그래피 결과
[대전=일요신문]육심무 기자 = 성균관대 오상호 교수와 한국기계연구원 부설재료연구소 송경 박사 연구팀이 단백질, 나노입자, 원자 등을 관찰하는 전자현미경으로 그보다 훨씬 작은 2차원 전자가스를 홀로그래피법으로 관찰해냈다.
전자 홀로그래피는 전자의 신호가 매우 약하고, 두 재료의 서로 다른 특성을 보정해야 하기 때문에 형성되는 전자의 분석에는 극히 제한적으로 사용돼 왔다.
연구팀은 기존 전자 홀로그래피와는 달리 전자에 매우 민감한 inline 전자 홀로그래피를 사용했으며, 계면 분석에 필요한 모든 변수를 정확하게 보정해 2차원 전자가스만의 고유 특성을 분석하는데 성공했다.
전자의 양을 정밀하게 제어해서 원하는 위치에 형성시키고 최대한 빠르게 이동시키는 기술은 반도체 메모리 소자, LED 광소자의 성능과 밀접하게 연관된 핵심기술이다.
전자를 효과적으로 조절하기 위해서 이론적으로 예측된 전자의 분포를 시각적으로 검증·분석할 수 있는 고분해능 현미경 관찰법이 필요하다.
2차원 전자가스가 존재하는 산화물 계면에 적용한 inline 전자 홀로그래피 방법의 개념도
연구팀은 민감도가 매우 높은 ‘인라인(inline) 전자 홀로그래피’를 이용해 두 종류의 산화물(LaAlO3/SrTiO3) 사이에 형성된 2차원 전자가스를 시각적으로 관찰하는 방법을 개발했다.
2차원 전자가스는 두 재료의 계면에 형성되는 전도성 전자 무리로 전자현미경으로 관찰하기에는 신호가 약하고 여러 변수의 영향을 고려해야 하는 한계로 인해 지금껏 관측되지 못했으나, 이번 연구에서는 모든 변수를 정확히 보정해 2차원 전자가스의 고유 특성을 분석했다.
개발된 분석법을 통해 결정 방위(원자가 결합한 각도 및 방향)에 따라 2차원 전자가스의 분포와 밀도가 미세하게 변하는 것이 관측됐다.
이는 관측방향에 따라 전자의 에너지 준위가 변하기 때문에 나타나는 양자현상이다.
오상호 교수
오상호 교수는 “이 연구는 강자성, 초전도성, 금속-절연체 상전이 등 다양한 양자현상에 기인하는 전자 분포와 밀도 변화를 최초로 직접 관찰해 낸 것”이라며 “지금까지 물리 이론으로 예측돼 온 표면, 계면 전자의 특성을 분석하는 데 활용돼 양자현상과 소자 연구를 연결하는 중요한 역할을 할 것”이라고 설명했다.
과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 기초연구사업(중견연구), 미공군 아시아오피스(AOARD) 등의 지원으로 수행된 이 연구결과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 3월호에 논문명 “Direct imaging of the electron liquid at oxide interfaces”로 게재됐다.
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