경희대학교(총장 한균태) 응용물리학과 최석호 교수 연구팀이 두께 변화로 위상준금속(topological semimetal)인 3차원 디락준금속(Dirac semimetal)이 2차원 바일준금속(Weyl semimetal)으로 상전이(phase transition)되는 현상을 발견해, 세계 최초로 2차원 바일준금속을 실험적으로 구현했다. 이번 연구성과는 국제 학술지인 《어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)》(IF=19.00)에 8월 31일 게재됐고, 국내외 특허가 출원됐다. 

3차원 위상준금속은 이론이나 실험적으로 많이 알려져 있다. 하지만 2차원 위상준금속(디락 및 바일준금속 모두)은 이론적으로 예측만 돼 있는 정도이다. 하지만 이마저도 학설의 주장이 분분한 상태이다. 사실상 이론적으로 아직 확립되지 않았다. 최석호 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 2차원 바일준금속을 실험적으로 처음 실현했다. 이 결과는 새로운 물성과 신소자 응용 가능성으로 세계적 관심의 대상인 2차원 바일준금속을 간단한 방법으로 구현해 이 물질의 소자 응용 가능성을 더욱 높였다.

보통 금속과 반도체를 구분할 때 ‘에너지 띠(energy band)’ 구조에 의존한다. 에너지 띠는 ‘전도 띠(conduction band)’와 ‘원자가 띠(valence band)’로 구성돼 있고, 그 사이에는 ‘에너지 간격’이 있어 둘 사이가 떨어져 있다. 부도체의 경우에는 원자가 띠에는 전자가 가득 차 있어 전자가 움직일 수 없다. 반면 전도 띠의 경우, 전자가 하나도 없이 텅 비어 있다. 도체의 경우는 원자가 띠에 전자가 가득 차 있고, 전도 띠에도 전자가 일부 들어 있는데, 이것이 자유전자다. 금속에는 항상 자유전자가 존재해 전하운반자로서 움직인다. 이 과정이 전기가 흐르는 과정이다. 

준금속은 전도 띠와 원자가 띠를 한 점에 찌그려 만나게 한 것이다. 에너지 간격을 완전히 없애면 금속이 되지만, 띄엄띄엄 떨어져 있는 점 몇 개에서만 간격이 없어지면, 디락준금속이 된다. 반도체는 금속과 부도체의 중간 성질을 갖고 있다. 에너지 간격을 넘을 수 있는 에너지가 외부에서 공급돼야(열, 빛, 전자선 등) 비로소 자유전자 및 자유정공이 생겨 전류가 흐른다. 2차원 물질인 그래핀도 금속과 마찬가지로 에너지 간격이 없어 금속처럼 항시 자유전자가 존재해 전류가 잘 흐른다. 그러나 금속과는 다르게 자유정공도 존재해 보통 그래핀을 준금속이라고 부른다. 

위상은 개체의 속성을 나타내는 강력한 특성이다. 달걀과 축구공은 같은 위상을 특성을 갖는 ‘구멍이 없는 3차원 물체’에 속한다. 반지나 도넛은 ‘구멍이 하나 있는’ 위상을 갖는다. 과학자들은 이를 통해 기존의 물질 분류가 불완전해, 위상 불변량에 대한 특이값을 갖는 ‘위상 상태’가 추가로 있음을 알게 됐다. 위상 상태에 따라 기존에 알려지지 않은, 위상 준금속과 같은 새로운 위상물질이 있음을 알게 된 것이다. 위상준금속은 2차원의 그래핀 준금속에 대응되는 3차원 준금속으로 볼 수 있다. 아직 2차원 위상준금속에 대해서는 잘 알려진 바가 없다.

결정의 대칭성 등에 의해 여러 가지 위상준금속이 존재할 수 있는데, 대표적인 것이 디락준금속과 바일준금속이다. 결정구조의 대칭성에는 ‘공간 반전 대칭성(inversion symmetry)’과 ‘시간 역전 대칭성(time reversal symmetry)’이 있다. 이 두 가지 대칭성이 모두 보존되면 디락준금속이 되고, 한 가지 대칭성이 깨지면 바일준금속이 된다. 바일준금속은 새로운 종류의 금속이다. 보통 물질 속 전자는 질량을 갖지만, 바일준금속의 전자는 마치 질량이 없는 것처럼 움직이며 자기장의 세기와 방향에 극도로 민감한 양자물질이다. 

바일준금속을 활용하면 스마트폰과 자기공명영상(MRI) 장치 등 다양한 분야에 쓰이는 자기 측정 센서를 정밀하게 만들 수 있을 것으로 기대된다. 이외에도 위상물질은 열전, 유체역학, 촉매, 태양광 발전, 원형 감광 기전 효과, 데이터 저장 등의 양자컴퓨터에 활용될 수 있다. 

단결정 고체 안에는 원자들이 주기성을 갖고 놓여 있다. 원자의 안에는 전자들이 핵 주변의 궤도(orbital)를 따라 돌고 있다. 전자가 원자 내에서 어떤 궤도에 들어 있느냐를 기술하는 게 양자역학에서 말하는 파동함수(wave function)이다. 주기적 격자구조에서는 파동함수의 파동수(wave number) 또는 운동량(momentum)도 주기성을 갖는다. 동량이 바뀔 때 파동함수가 꼬이는 방법이 물질의 위상 성질을 결정한다. 

보통 물질에서는 파동함수가 특별한 꼬임구조가 없다. 하지만 위상물질에서는 파동함수가 운동량 공간에서 뫼비우스의 띠처럼 꼬여 있다. 간단히 말하면 파동함수가 운동량 공간을 한 바퀴 동아 제자리로 돌아왔을 때 꼬여 있다면 위상물질이고, 아니면 일반물질이다. 뫼비우스의 띠는 띠를 찢지 않는 한 일반적 띠로 만들 수 없다. 위상물질의 전자구조 역시 물질의 화학구조가 바뀌지 않는 한 보존된다. 즉 위상물질은 매우 안정적이다. 

2차원 위상준금속에 대해서는 그 물성이 확실히 정립돼 있지 않다. 실험적으로 위상준금속의 일종인 교점선준금속(nodal-line semimetal)에 대해서만 몇몇 논문에 보고된 바 있다. 소자 응용의 측면에서 보면, 2차원 물질에 비해 3차원 물질은 당연히 응용에 한계가 있다. 또한 교점선준금속의 경우도 단결정 금속 기판 표면에 원자층을 증착해 표면층에서만 준금속이 형성된 형태로 이런 구조는 준금속만 분리될 수 없어 소자개발과 같은 실용화에 한계가 있다. 

이번 연구를 통해 명실상부한 2차원 위상준금속을 제작할 수 있게 됐다. 따라서 2차원 위상준금속 기반 나노구조를 바탕으로 한 차세대 신소자 개발을 위해 훨씬 유연하게 위상 물질을 활용할 수 있게 됐다. 연구팀은 디락준금속인 Bi0.96Sb0.04의 박막 두께를 MBE(molecular beam epitaxy, 분자선 증착법)을 이용해 2에서 300㎚까지 변화시켰다. 두께에 따른 위상 특성의 변화를 밝히기 위해 자기저항, 2차 고조파 산란, 라만분광, 가속기 X선 회절, 테라헤르쯔 방출, 홀효과, 열전효과 등 다양한 기법을 활용했다.

그 결과 두께가 10㎚를 기점으로 얇아짐에 따라 3차원 디락준금속에서 2차원 바일준금속으로 상전이 되는 현상을 처음으로 발견했다. 또한 상전이 현상의 메커니즘을 규명했는데, 두께가 2차원 영역으로 얇아짐에 따라 기판과 박막 사이의 격자 불일치로 강하게 형성된 스트레인에 의해 공간반전 대칭성이 깨져 2차원 바일준금속 상태가 형성됐다. 

최석호 교수는 “바일준금속의 2차원 상태가 처음으로 규명돼, 그 제작이 활발해질 것으로 예상된다. 3차원에 비해 소자 제작에 더욱 유리한 2차원 위상준금속을 활용한 다양한 형태의 나노규모의 새로운 소자가 개발될 것으로 예상한다”라며 “이는 최근 그래핀의 후속 신물질로 활발히 연구되는 위상준금속과 같은 위상물질에 관한 학문적 연구 수준을 소자 응용의 단계로 더욱 활성화할 수 있는 기반을 마련했다. 특히 이번 성과가 아직 물성이 다 밝혀지지 않은 위상물질의 학문적 연구를 심화함과 동시에 소자 응용 연구를 촉진하는 데 기여할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 밝혔다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국 연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원을 받아, 국제 공동 연구로 수행됐다. 경희대 최석호 교수와 정찬욱 연구교수, 김진희 연구박사, 정태진 석사과정, 김성 교수, 이종수 교수 등을 비롯해 대구대, 울산대, 광주과기원, 포항공대, 서강대, 한국원자력연구원, 호주국립대(ANU), 호주 울롱공대(Wollongong) 등 9개 연구기관의 교수, 학생, 연구원이 참여했다. 

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