복잡 산화물 인터페이스 2차원 전자 액체의 광전자 협동 전계 효과 연구

과학자들은 관련 연구를 통해 적합한 조건 하에서 전자 관련 산화물(oxide) 헤테로 접합 인터페이스(Heterojunction interface) LaAlO3/SrTiO3（LAO/STO） 부근에서 2차원 전자 액체를 형성할 수 있다는 점을 발견하였다.

일반적인 반도체 2차원 전자 가스와 달리 포텐셜 우물(Potential well) 속의 전자는 d 전자 특징을 보유하고 있으며 다양한 d 궤도를 차지하고 있기 때문에 자기장에 의존하는 전송 행위, 강자성 및 초전도성 등 다양하고 새로운 특성을 나타내고 있다.

차원의 제한 때문에 2차원 전자 시스템은 일반적으로 강한 전계 효과-게이트 전압을 나타내기 때문에 전자 농도와 이전 비율을 대폭 조절하여 시스템으로 하여금 다양한 양자 상태를 거치게끔 함으로써 신기한 물리 효과에 대한 탐색 공간을 대폭 넓힌다.

자기장과 게이트 전압의 조합 및 조정 제어를 통해 2차원 전자 가스 시스템 속에서 과학자들은 양자 홀 효과 및 분수 양자 홀 효과 등 다양하고 신기한 양자 효과를 발견하였다. 제일 전형적인 반도체 트랜지스터 전계 효과도 필드 효과에 기반하고 있는 상황이다.

전계 효과가 2차원 전자 시스템에 대한 조절은 용량 효과(Capacitive effect) 기초 상에 구축되며 용량의 충전 및 방전 과정을 통해 헤테로 접합 인터페이스 전자 가스 농도 및 이전 비율에 대한 조정 제어를 실현하게 된다.

하지만 LAO/STO 헤테로 접합 인터페이스의 2차원 액체 농도는 일반적인 반도체 2차원 전자 가스보다 한 개 수량 등급이나 더 높기 때문에 용량 효과 조정 제어 범위를 대폭 초월하는 것으로 나타난다. 때문에 새로운 조정 제어 원리 및 방법에 대한 탐색은 2차원 전자 액체의 신기한 물리 효과를 탐색하는데 있어서의 핵심이 된다.

최근 중국과학원 물리 연구소 산하 `베이징(北京) 응집물질 물리 국가 실험실(설립 중에 있음)` 소속 `자성(Magnetism)학 국가 중점 실험실`의 순지룽(孫繼榮) 연구원 연구팀은 광전자 협동(Photoelectric collaborative) 역할을 통해 새로운 전계 효과 조정 제어 원리를 발견한 동시에 산화물 2차원 전자 액체 전송 행위에 대한 큰 범위 조정 제어를 실현하는데 성공하여 이슈가 되고 있다.

연구팀은 관련 연구를 통해 광 여기(Optical excitation)와 게이트 전압(Gate voltage)의 협동 역할은 SrTiO3 인터페이스 격자 확장, 대칭성 파괴를 발생시켜 광 전자 유도의 인터페이스 전극화를 발생시키게 된다는 점을 발견하였다. 광 유도 인터페이스 전극화는 헤테로 접합 인터페이스 전자 액체에 대한 추가 조정 제어를 발생시켜 전계 효과로 하여금 대폭 강화되게 한다.

헤테로 접합 인터페이스 전기 저항에 대한 조정 제어에서 새로운 메커니즘이 발생시키는 전기 저항 변화 효과는 단일 게이트 전압에 대한 조정 제어 효과보다 두 개 수량 등급이나 더 높아지는 것으로 나타났다.

연구팀은 관련 연구를 통해 광 전자 협동 조정 제어 원리를 한층 더 심층적으로 해석하였으며 전기장(Electric field)의 LAO/STO 부근의 산소 결핍(Oxygen vacancies)이 SrTiO3 속으로 이전한다는 점을 발견하였다. 이런 과정을 동반하여 SrTiO3 격자는 전기장 방향과 평행되어 뚜렷한 확장을 발생시키게 된다.

전기장이 독자적으로 역할을 발휘하는 상황 하에서 이런 과정은 매우 천천히 진행되기 때문에 측정하기 어렵다. 이런 상황이 발생하게 되는 원인은 산소 결핍이 일반적으로 집중되어 덩어리를 형성하여 이전 비율이 극히 낮아지는데 있다.

광 여기는 산소 결핍 클러스터 분해를 발생시켜 산소 결핍의 이전 비율을 대폭 향상시킴으로써 격자 왜곡 과정(Lattice distortion process)을 가속화하게 된다. 이런 과정에 대한 연구를 통해 연구팀은 SrTiO3이라는 전형적이고 복잡한 산화물체의 잘 알려지지 않은 부분을 해석하는데 성공하였으며 더욱 중요한 점은 다중 필드 협동 조정 제어의 거대한 잠재력을 제시하였다는 점이다. 연구팀은 이번 연구를 통해 2차원 전자 액체의 신기한 물리 효과에 대한 탐색을 위해 새로운 연구 공간을 개척하였다.

연구팀의 관련 연구 성과는 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)`에 게재됐다(Nat. Comms. 5, 5554(2014)). 이번 연구는 국가자연과학기금위원회 및 국가과학기술부의 관련 과학연구 비용 지원을 받아 실행되었다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 복잡 산화물 인터페이스 2차원 전자 액체의 광전자 협동 전계 효과 연구