[지금은 과학] 실시간 원자 움직임 포착→디바이스 효율↑

[아이뉴스24 정종오 기자] 대구경북과학기술원(DGIST, 총장 국양) 에너지공학과 양지웅 교수팀이 ‘실시간 투과전자현미경 분석법 등을 이용해 반도체 양자 나노 결정의 상전이 메커니즘을’을 규명했다.

서울대 화학생물공학부 박정원 교수와 공동연구를 통해 상전이 과정에서 일어나는 다양한 반응경로를 원자 수준에서 밝혀내면서, 온도와 조성(물질계를 구성하고 있는 여러 성분 양의 비)으로 제어하는 방안을 제시했다.

연구팀은 이번에 개발한 기술이 상용화될 경우 메모리 디바이스, 센서 등의 분야에서 디바이스 효율이 향상될 것으로 기대하고 있다.

구조 물질의 고유 성질을 제어할 수 있는 상전이를 통한 결정상 제어는 메모리 디바이스, 센서, LED와 같은 미세 반도체 구조가 중요한 분야에서 활용하기 좋은 방법이다.

새로운 합성법을 통해 원하는 성질을 갖는 물질을 만드는 방법보다 잘 알려진 합성법으로 물질을 만든 후 상전이를 통해 물질의 성질을 필요에 따라 제어해 활용하는 것이 효율적이다. 최근 상전이를 이용해 반도체 나노결정의 성질을 바꾸는 기술이 활발하게 연구되고 있다.

나노입자의 상전이 메커니즘은 X선 회절 분석법, 분광분석법 등의 앙상블에 대한 평균적 정보를 활용한 연구가 대부분이다. 상전이를 정확하게 제어하고 활용하기 위해서는 원자단위의 메커니즘을 이해할 수 있어야 한다.

기존 연구 방법으로는 반도체 나노입자가 상전이 중 발생하는 원자 수준의 변화와 그에 따른 여러 반응경로를 밝히기 어려웠다.

DGIST 양지웅 교수팀과 서울대 박정원 교수팀은 공동연구를 통해 ‘실시간 투과 전자현미경 분석법(In-situ transmission electron microscopy, In-situ TEM)’과 ‘밀도 범함수 이론(Density functional theory, DFT) 계산 방법’을 이용해 새로운 상전이 메커니즘을 개발했다.

양지웅 DGIST 교수는 “반도체 양자 나노결정의 상전이 과정을 원자 수준에서 관찰하면서 다양한 반응과정과 그 중간물을 확인하고 온도와 조성, 상전이 간의 상관관계를 통해 양자 나노결정의 결정상 제어법을 밝혀낼 수 있었다”고 말했다.

박정원 서울대 교수는 “이번 연구를 통해 반도체 나노 물질의 외부 자극에 의한 구조변화 과정을 정밀하게 규명할 수 있었는데, 앞으로 반도체 물질의 구조제어를 활용해 다양한 디바이스에 응용되기를 기대한다”고 말했다.

연구 결과(논문명: Direct Observation of Off-Stoichiometry-Induced Phase Transformation of 2D CdSe Quantum Nanosheets)는 재료과학분야 국제학술지인 ‘Advanced Science’에 3월 실렸다.