한양대, 인듐원자선이 저온에서 비금속 상태로 변하는 원인 규명

차세대 전자소자로 주목받는 인듐 원자선이 저온에서 비금속 상태로 변해 전도성을 잃는 원인을 국내 연구진이 규명했다. 이번 연구가 미래 전자소자 구현에 기여할 것으로 기대된다.

교육과학기술부와 한국연구재단은 한양대학교 물리학과 조준형 교수(사진) 연구팀이 상온에서 금속으로 존재하는 인듐 원자선이 영하 150℃에서 비금속으로 바뀌면서 전도성을 잃는 상전이현상에 대한 원인을 찾았다고 17일 밝혔다.

인듐 원자선은 실리콘 표면에 인듐 원자들이 일렬로 조립돼 형성되는 선으로, 저온에서 전도성을 잃는 원인에 대해 기존 연구에서는 금속에 있는 전자들이 격자들과 상호작용을 하면서 격자구조가 어그러지는 파이얼스 불안정성에 의한 것으로 추정해왔다. 그러나 파이얼스 불안정성에 의한 것으로 가정할 경우 금속상태가 비금속상태보다 에너지가 안정된 것으로 계산되는 등 인듐원자선의 물성을 올바르게 나타내지 못하는 한계가 있었다.

조준형 교수 연구팀은 전자와 격자간 상호작용 때문에 비금속화가 일어난다는 기존 이론을 깨고 전자들의 상호작용에 의해 비금속화가 일어남을 증명했다.

연구팀은 인듐 원자들 사이에서 전자를 공유하면서 생기는 공유결합과 원자 사이의 인력현상인 반데르발스 상호작용에 의해 저온에서의 비금속화가 일어남을 발견했다. 또 실험데이터 없이 물질 내 전자 밀도의 정보만으로 전자구조와 물성을 계산하는 '밀도범함수 이론'을 보완해 인듐 원자선의 비금속 상태가 금속 상태에 비해 안정화됨을 예측했다.

조준형 교수는 "이번 연구를 통해 1차원 원자선에서 논란이 됐던 금속-비금속 상전이현상의 원인에 대한 의문을 해소했다"며 "차세대 나노 전자소자의 물성을 이해하는데 새로운 전기를 마련했다"고 말했다.

[e-mail] 박지현 기자