토폴로지 절연체 재료 중의 불포화 선형 자기 저항 연구

큰 자기 저항 재료는 기초연구와 장치 응용 과정에서 중요한 역할을 발휘하기 때문에 과학연구 분야에서 줄곧 큰 중시를 받고 있다. 지난 반 세기 이래 과학자들은 관련 연구를 통해 재료의 전형적인 자기 저항이 외부 자기장에 대해 2차 관계(Quadratic relationship)를 보유하고 있으며 큰 자기장 하에서 자기 저항은 포화 상태에 처하게 된다는 점을 발견하였다. 특수한 점은 불포화 선형 자기 저항(Unsaturated linear magnetoresistance)은 오픈 페르미 재료 속에 존재하게 될 가능성이 존재한다는 점이다.

에너지 갭이 제로에 가까운(혹은 비교적 작음) 반도체 재료 속에서 과학자들은 다양하고 흥미로운 자기 저항 현상을 발견하였다. 예를 들면, 은(銀) 도핑 Ag2+δSe와 Ag2+δTe 재료 속에서 특별하게 큰 선형 자기 저항을 발견하였으며 과학자들은 다양한 이론으로 이런 불포화 선형 자기 저항에 대해 해석하려는 노력을 해 온 상황이다.

이런 이론 모델 속에서 Abrikosov 등 과학자들이 제시한 ‘양자 자기 저항’ 및 Parish와 Littlewood 등 과학자들이 제시한 전형적인 물리 모델은 제일 전형적인 이론 모델로 되고 있다. Abrikosov 등 과학자들은 제로 에너지 갭 반도체는 한 개의 랜도(Landau) 에너지 레벨만 보유하고 있지만 큰 자기장 하에서 양자 제한을 받기 때문에 불포화 자기 저항을 생성시킬 수 있게 될 것이라고 분석하고 있다. Parish와 Littlewood 등 과학자들은 재료의 불균형성이 전류의 증가와 감소를 유발시켜 불포화 및 자기 저항을 발생시키게 된다고 분석하고 있다.

지난 몇 년 간 토폴로지 절연체(Topological insulator)는 에너지 갭 디랙 표면 상태(Dirac surface states)를 보유하고 있기 때문에 토폴로지 절연체 재료의 자기 저항은 점점 더 과학자들의 많은 관심을 받고 있는 상황이다. 부분적인 과학자들은 토폴로지 절연체의 단 결정, 박막, 나노 시트 등 재료 속에서 선형 자기 저항을 발견하였다.

과학자들은 관련 연구를 통해 단 결정의 선형 자기 저항은 재료의 2차원 무(無) 에너지 갭 토폴로지 표면 상태에서 발생된다고 분석하고 있다. 그 외, 부분적인 과학자들은 단 결정 혹은 박막 재료 속에서 전자 불균형과 전기 전도성 증가와 감소도 선형 자기 저항에 영향을 끼치는 중요한 요소로 되고 있다고 분석하고 있다. 지금까지 토폴로지 절연체 재료 속에서 선형 자기 저항의 확실한 요소에 대해 과학자들은 명확한 분석을 실행하지 못하고 있는 상황이다.

중국과학원 금속 연구소 산하 ‘선양(瀋陽) 재료과학 국가(연합) 실험실’ 소속 ‘자성 재료 및 자기학 연구부’ 왕전화(王振華) 연구원, 장즈둥(張志東) 연구원 연구팀은 최근 미국 케이스 웨스턴 리저브 대학(Case Western Reserve University)의 가오쉬안(高?) 교수 연구팀과 공동 연구를 실행하고 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 방법을 통해 Bi2Te3 박막을 개발하는데 성공하여 이슈가 되고 있다.

연구팀이 이번 연구를 통해 개발한 Bi2Te3 박막 재료는 Bi2Te3 나노 시트(Nanosheets)들이 서로 연결되어 형성되었다는 점을 발견하였다.

연구팀은 온도, 기압, 전송 기체 유량 등 조건에 대한 제어를 통해 다양한 사이즈의 나노 시트 및 다양한 나노 시트 밀도의 박막 재료를 제어 가능하게 개발할 수 있다는 점을 발견하였다. 그림 1.에서 표시한 내용과 같이 Bi2Te3 박막은 다양한 밀도 및 사이즈의 나노 시트로 구성되어 있다. 기타 토폴로지 절연체 재료와 같이 동 시스템 속에서 선형 자기 저항 현상을 발견할 수 있다. 그림 2.에서 표시한 내용과 같이 큰 온도 범위 내에서 외부 필드가 14T를 추가해도 불포화 트랜드를 나타내고 있는 것으로 나타났다.

연구팀은 다양한 밀도(Density) 박막 재료에 대한 연구를 통해 매우 큰 이전 비율 범위 내에서 선형 자기 저항 및 재료 이전 비율 사이에는 보편적인 관계가 존재하며 구체적으로 동일한 재료 속에서 자기 저항 및 이전 비율은 온도 증가에 따라 감소된다는 점을 발견하였다(그림 3. 참조).

연구팀은 다양한 밀도 박막 재료 속에서 자기 저항과 이전 비율이 정비례 관계를 형성하는 동시에 자기 저항이 작을수록 이전 비율도 점점 더 작아진다는 연구 결론을 도출하였다(그림 3. 우측 그림 참조).

이런 연구 결과들은 이전 비율의 증가와 감소가 전형적인 선형 자기 저항을 발생시킨다는 점을 설명하고 있으며, Parish와 Littlewood 등 과학자들이 제시한 이론과 완전히 일치함을 의미하고 있다.

연구팀은 이번 연구를 통해 Bi2Te3 박막 관련 연구를 위한 명확한 증거를 제공하였으며 재료가 물리 혹은 구조 상에서의 불 균형성은 선형 자기 저항의 원천으로 된다는 점을 입증하였을 뿐만 아니라 토폴로지 절연체 재료의 자기 저항 제어를 위해 새로운 방법을 제공하였다.

연구팀의 관련 연구 성과는 미국 화학 학회가 발간하는 나노 연구 분야 권위 학술지인 ‘나노 레터(Nano Letter)’에 게재되었다(Nano Letter 14 (2014) 6510).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 토폴로지 절연체 재료 중의 불포화 선형 자기 저항 연구