티탄산 스트론튬 기판의 표면 전자 상태 해명

일본 토호쿠대학 원자분자 재료과학 고등 연구기구(AIMR) 등의 연구그룹은 일본 학술 진흥회 특별 연구원들과 공동으로 초고해상도 현미경 관찰과 제일 원리 계산의 병용에 의해 티탄산 스트론튬(SrTiO3) 단결정 표면의 표면 전자 상태 해명에 처음으로 성공해 전자 밀도의 공간적 분포가 에너지에 의존하고 변화하고 있음을 확인했다.

티탄산 스트론튬을 비롯한 금속 산화물은 미세 가공의 한계에 도달하고 있는 실리콘을 대체할 전자 소자의 핵심 물질로 주목 받고 있다. 그러나, 산화물의 표면 구조를 원자 수준에서 제어하는?? 것이 매우 어렵기 때문에 표면의 원자 배열과 전자 상태의 이해가 충분하다고는 말할 수 없으며, 고성능화 및 실용화에 걸림돌이 되고 있었다 .

본 연구 그룹은 지금까지의 연구에서 시료의 조제 방법을 최적화하여 원자 수준에서 제어된 티탄산 스트론튬 기판 표면을 제작하는 것을 가능하게 하고 있다. 본 연구에서는 먼저 원자 하나하나가 식별 가능한 주사 터널링 현미경을 이용하여 표면의 관측을 실시한 결과, 티타늄 원자와 산소 원자가 질서 있게 정렬하고, 크고 작은 2개의 구멍이 교대로 늘어선 체크 모양으로 되어 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 실험 결과와는 독립적으로 물질의 전자 구조를 계산하는 제일원리 전자상태 계산을 병행하여 티탄산 스트론튬 표면의 전자 상태를 조사한 결과, 표면 전자 상태의 공간 분포가 에너지 상태에 따라 링에서 네잎 클로버 모양으로 변화하는 것을 확인했다. 이번 연구 성과는 원자 수준에서 제어된 티탄산 스트론튬 표면의 원자 배열과 전자 상태를 최초로 규명한 획기적인 성과이며, 산화물 전자 공학의 발전으로 이어질 뿐만 아니라, 산화물 표면 또는 이종 산화물 계면에서 발현하는 전기 전도성, 자성, 초전도 등의 물리 현상의 메커니즘 해명에도 도움이 된다.

금속 산화물은 강자성 금속-절연체 전이, 초전도 등 다양한 물성을 나타내기 때문에, 다기능, 저소비 전력 일렉트로닉스를 구축하기 위한 유망한 재료이다. 금속 산화물을 전자 공학에 응용하는 연구 분야는 산화물 일렉트로닉스로 불리며 일대 연구 분야가 되고 있다. 이번 연구 대상인 티탄산 스트론튬(SrTiO3)은 산화물 일렉트로닉스에서 기존의 실리콘 반도체 전자의 실리콘과 마찬가지로 장치 구축 시의 핵심 재료로 자리 매김하는 가장 중요한 재료 중 하나이다.

장치의 설계·제작에서는 물질 중에 존재하는 전자가 어떤 에너지와 공간적인 확대를 갖는지가 중요하다. 이것을 전자 상태라고 부르고, 전기 전도성, 광학 특성 등의 물성을 결정한다. 전자 상태는 물질을 구성하는 원자의 배열이나 결합 상태 등 원자 수준의 구조에 크게 좌우되고, 실리콘 반도체에서는 이 구조·전자 상태가 실험과 제1원리 전자 상태 계산과 함께 정밀하게 이해되고 있다. 한편, 금속 산화물에 대한 이러한 이해는 지연되고 있는 실정이다.

또한, 최근에는 SrTiO3를 대표로 한 페로브스카이트 산화물을 이용한 인공적인 계면 구조를 제작함으로써, 전기 전도성, 자성, 강유전성, 초전도 등의 신기한 물성을 창출하는 연구가 성행하고 있다. 일반적으로 물질 내부에서 전자 상태는 방향에 크게 의존하지 않는 3차원적인 성질을 나타내는 데 반해 박막 형태의 계면에서는 그 표면에 평행하거나 수직인 데 따라 큰 차이가 생기기 때문에 내부에서는 볼 수 없는 물성이 발현한다. 대표적인 예로서 알루민산 랜턴(LaAlO3)과 SrTiO3를 접합시킨 계면을 들 수 있는데, 모두 절연체이면서 계면에서 높은 전기 전도성이 생기는 것으로 알려져 있다. 이런 특이한 물성 발현은 물질 내부의 주기적인 원자의 구조가 계면에서는 무너지는 것이 시사되고 있다. 그러나, 기판이 되는 SrTiO3조차 원자 수준의 질서를 가진 표면의 제작이 곤란하고, 그 구조 및 전자 상태를 원자 규모의 공간 분해능으로 관찰한 보고가 없어 기초적인 이해가 지연되는 요인이 되고 있었다.

본 연구 그룹은 물질 내부 구조의 주기성이 무너지는 가장 단순한 계로 SrTiO3 기판의 재구성 표면에 주목했다. 그 표면 구조 및 전자 상태를 주사형 터널 현미경(STM, 그림1 참조)을 이용하여 원자 수준에서 관찰하고, 그 결과 제1원리 전자 상태 계산을 병용하여 표면의 전자 상태를 고찰했다.

그림 2에 STM에서 관찰한 SrTiO3 기판 표면의 상과 구조를 나타냈다. 명암 2개의 사각형이 교대로 늘어선 체크 무늬가 관찰돼 원자들이 정연하게 늘어선 상태임을 나타내고 있다. 이는 표면에만 존재하는 이산화 티타늄(TiO2)의 층이 대소 2종류의 구멍을 갖도록 배열하고 있다는 사실에 기인한 것으로 생각된다. 이어 STM을 이용하여, 기판 표면에 어떤 에너지를 가진 전자가 어느 정도의 밀도로 공간 분포하고 있는지 관찰했다. 전자 밀도의 분포 상태는 전자의 에너지의 크기에 따라 변화하고 있어 에너지가 비교적 낮은 상태(페르미 준위에서 +1.0eV 떨어진 영역)에서는 링 모양의 형상, 그보다 에너지가 클 경우 네잎 클로버 모양의 형상을 취하는 것을 알았다(그림 3).

제1원리 전자 상태 계산에 따른 표면 구조를 결정하고 그 구조를 이용하여 전자 상태를 재현하면, 유사한 에너지 의존성을 가진 전자 밀도 분포의 형상 변화가 재현되었다. 물질 내부에서는 동일한 에너지인 티타늄의 3개의 전자 궤도(dxy, dyz, dzx)가 물질 표면에서는 궤도에 따라 에너지가 서로 다른 것이다. 그리고, 전자 에너지가 작은 경우는 표면에서 안쪽 방향으로 분포하는 dxy궤도가 안정화하고, 그 공간 분포가 링 모양의 형상으로 밝혀졌다. 한편, 에너지가 높은 상태에서는 표면 수직 방향 성분을 가진 궤도(dyz, dzx)에서 유래한 공간 분포를 보이고 있음을 발견하였다.(그림 4).

원자 수준 분해능으로 전자 밀도의 공간 분포를 실공간 관찰해 제1원리 전자 상태 계산과 비교함으로써, 물질 내부 원자의 대칭성이 깨진 표면 및 계면에서 전자 에너지에 의해 전자 밀도의 공간 분포가 다르다는 사실이 밝혀졌다. 또한, 이 표면의 공간 분포의 차이는 수직 방향의 전자 궤도와 수평 방향 전자 궤도의 에너지가 다르기 때문임을 알 수 있었다. 이러한 전자의 행동을 원자 규모로 이해함으로써 새로운 인공 산화물 계면을 창제하고, 나아가 그 특이한 물성의 제어를 기대할 수 있다. 이들 표면과 계면의 이해는 촉매 또는 리튬 이온 전지 등 에너지 장치의 원리와도 밀접하게 관련하고 있으며, 이들 특성의 향상으로도 이어질 것으로 예상된다. 앞으로는 진정한 원자 규모로 설계된 구조와 전자 상태와 거시 물성과의 관계를 밝히는 것이 바람직하다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 티탄산 스트론튬 기판의 표면 전자 상태 해명