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금속-절연체 전이물질의 본질과 속성 밝혀내다

- 차세대 에너지, 기능소자의 감도 조절 적용 기대 -

 

 

김봉중 교수팀

 

 

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 김봉중 교수(광주과학기술원) 연구팀(김봉중 교수(교신저자), 김민우 박사과정생 (제 1저자))이 금속-절연체 전이물질*의 본질과 물리적 속성을 밝혀냈다고 밝혔다.

 

  * 금속-절연체 전이물질 :전기가 통하는 금속상태에서 온도, 응력, 전기장 등의 변화에 따라 전기가 통하지 않는 절연상태로 상전이(相轉移)를  일으키는 물질  

 

□ 절연물질 중 하나인 이산화바나듐(VO2)*은 섭씨 68도에서 일어나는 금속-절연체 간 상전이* 현상으로 인해 전기적 또는 광학적 스위칭 소자와 센서로 쓰일 수 있어 많은 주목을 받고 있다.  

 

  *이산화바나듐 :절연상태에서는 단사정계의 결정성을 갖고, 금속상태에서는 정방정계의 결정성을 갖는 물질로 섭씨 약 68도에서 두 상태의 전이를 나타내는 물질 

  *상전이 : 고체·액체·기체 등과 같이 물질의 원자 또는 분자의 구조와 조성 상태가 바뀌는 현상

 

□ 연구팀은 먼저 전기가 통하는 금속 상태에서 온도 변화 등에 따라 전기가 통하지 않는 절연체로 변화하는 현상을 살펴보기 위해 나노 또는 마이크로 굵기의 와이어 형태로 이산화바나듐(VO2)을 성장시켰다.

 

 

 그림1

 

(그림1) 연구팀이 규명한 응력과 지름이 조절된 단결정 이산화바나듐(VO2) 와이어에서의 금속-절연체간 상전이 특성. (a) 와이어의 성장조건 중에 산소가스를 적절히 활용하여, 초기 액상 촉매 상태의 단계(Oxidation)와 이후 와이어 성장 단계(Reduction)를 구별하여 진행할 수 있는 성장원리. (b) 지름과 응력에 따라 다양한 절연상 와이어를 개별적으로 온도를 변화시키며 얻은 상전이에 대한 상태도. (c) 액상전극으로 이루어진 개별 와이어 소자에서 저항변화를 측정하고, 온도변화에 따른 초기상의 열활성화 에너지를 구한 후, 이론 모델링을 통해 얻은 세 가지 절연상의 순수 물리 값 (위의 그림에서는 비저항만 표시되어 있지만, 추가적으로 활성화 에너지, 상전이의 에너지 장벽 등을 추출)

 

 

□ 연구팀은 와이어 성장 중 산소가스를 적절히 활용하여 초기 액상 촉매 단계와 바로 그 이후의 단계인 와이어 성장을 구별하여 진행할 수 있는 원리를 개발하였다. 이로 인해 단결정 이산화바나듐(VO2) 와이어의 굵기를 최초로 완벽하게 조절할 수 있게 되었다. 이렇게 성장된 굵기가 다른 와이어는 기판*과 다양한 크기의 응력을 생성시켜 상온에서 초기 절연상들(M1, T, M2)을 선택적으로 생성시킬 수 있게 되었다. 이로 인해 각각의 초기 절연상들의 순수한 물성을 이해하게 되어 상전이 현상 시 M1, T, M2의 역할을 정확히 이해할 수 있게 되었다. 

 

*기판 : 와이어를 성장시키는 지지대 

 

□ 연구팀은 또한 지금까지 밝혀지지 않았던 초기 절연상들(M1, T, M2)의 근본적인 속성을 밝혀냈다. 실시간 구조 및 전기적 분석, 이론 모델링을 통해 순수한 세 가지 절연상의 응력*에 따른 저항, 활성화 에너지, 상전이에 필요한 에너지 장벽 등을 정량적인 값으로 도출해 내는데 성공했다. 이를 통해 비저항과 활성화 에너지*는 T가 가장 낮고, M1이 중간에 위치하며, M2가 가장 높은 값을 가지고 있다는 것을 발견하였다. 

 

  *응력 : 외부에 힘을 받아 변형을 일으킨 물체의 내부에 발생하는 단위 면적당 힘 

  *비저항과 활성화 에너지 :비저항은 물질의 조직에 의해서 발생되는 저항으로서 재질, 단면적, 형상, 온도에 따라 변화되며, 기호는 ρ를 사용한다. 활성화 에너지는 반응을 일으키는 데 필요한 최소한의 에너지로 반응에 참여하기 위해서는 이 에너지 이상의 에너지를 가져야만 한다.

 

□ 김봉중 교수는“이 연구결과는 금속-절연체 전이물질의 속성과 특성을 근본적이고, 총체적으로 밝혀낸 것이다. 향후 금속-절연체 상전이의 열역학적, 전기적 이해의 폭을 넓히고, 차세대 에너지와 기능소자의 감도를 조절하는데 적용될 것으로 기대된다”하고 연구의 의의를 설명했다.

 

□ 이 연구성과는 나노분야 권위지인 나노레터스(Nano Letters) 6월 2일자에 게재되었다.   <끝>

 

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