한국혁신센터(KIC중국)에 오신 것을 환영합니다.
양자 동향
현재 위치:메뉴>양자 과학>양자 동향

남과대 천랑팀은 2차원 철전 금속을 합성하는 방면에서 연구 진전을 얻었습니다.

출처:KIC China 발표 시간:2021-03-24 17:47:00 조회 수:
발표 시간:2021-03-24 17:47:00

 
최근 남방과학기술대학 물리학과 천랑 교수팀이 2차원 '철전금속'을 합성하는 데 중요한 진전을 이룩한 것과 관련한 성과를 'Electric Polarization Switching on an Atomically Thin Metallic Oxide'라는 제목으로 Nano Letters에 발표했다.
 
앤더슨과 블런트가 칼슘과 티타늄 광산인 '철전 금속'을 제안한 이래, 사람들은 그 물리적 메커니즘과 새로운 철전 금속을 어떻게 설계할 것인지를 알아내기 위해 많은 노력을 기울여 왔다. LiOSO3는 저온에서 금속성을 유지하며 140K에서 철과 유사한 구조상 변화를 경험하는 것으로 널리 인정된 최초의 극성 금속으로서 많은 과학자들의 연구 흥미를 불러일으켰다. 사실, 고유분극금속은 매우 희귀하며, 지금까지 소수의 분극금속만이 발견되었다. 또한, 이 비중심대칭극극금속의 거시편극 방향은 외부 전기장에 의해 변하지 않으며, 객관적으로 진정한 철전금속은 아니다. 따라서 응집 상태와 재료 과학에서 실온 철전 금속을 찾는 것은 여전히 큰 과제이다.
 
금속 중의 순전기장은 자유 전자에 의해 완전히 차폐될 수 있기 때문에 철의 전기성과 금속성을 체상에서 공존할 수 없다. 그러나 많은 연구들은 저차원 물질이 체상 물질에 반하는 많은 특이성과 참신한 양자 상태를 가지고 있다는 것을 보여준다. 이상의 기초를 바탕으로, 연구팀은 하나의 강한 분극장을 가하여 철전/단층 산화물 금속 초격자의 형식으로 철전 금속을 인공적으로 합성할 것을 제안하였다. 이렇게 하면 원자 수준의 산화물 전도층의 대칭성이 근접한 분극장에 의해 깨지고 조작되어 2차원 "철전금속"을 형성할 수 있다.
그림 1 (SrRuO3) 1/(BaTiO3) 10 초격자의 구조적 특성
이 연구에서는 BaTiO3(BTO)와 철자기순행상태의 금속산화물 SrRuO3(SRO)를 선택하여 Laser-MBE를 이용하여 SRO와 BTO층으로 구성된 초격자를 만들었다. 이 중 SRO 설계는 1개의 단포 두께(~0.4nm)로 고정된다. X선 회절(XRD), 원자력 현미경(AFM), 투과전기렌즈(STEM) 및 싱크로트론 복사 광원 등을 통해 초격자 시료를 구조적으로 나타낸다(그림 1). 그 결과 SrTiO3 기저에서 원자급 평평도 계면을 가진 (SRO) 1/(BTO) 10 고품질 초격자를 얻을 수 있다.
그림 2 (SrRuO3) 1/(BaTiO3) 10 초격자의 전기 송신 및 분극 변위 표상
 
전기적 성능 측정을 통해, 연구진은 전체 초격자가 225K 이상에서 금속 상태로 나타난다는 것을 발견했다(그림 2a). 좀 더 진일보한 논증을 통해, 연구진은 전도성 금속 상태의 형성이 주로 강한 2차원 금속인 RuO2 평면에서 비롯된다는 것을 발견했다. 그림 2b의 SHG 편광 신호와 그림 2c의 원위 TEM 표상에서 볼 수 있듯이, 전체 초격자는 BTO에서 상향 분극 오프셋으로 표현될 뿐만 아니라 단원자층 SRO 역시 BTO를 따라 같은 방향의 분극 변위를 가진다. 이것은 SRO 층이 극성 변위와 금속 전도성이 병존하는 특성을 가진다는 것을 보여준다.
그림 3 (SrRuO3) 1/(BaTiO3) 10 초격자의 분극 전복 특성
 
연구진은 PFM과 제자리 STEM 시스템을 통해 초격자가 거시적 및 미시적 상황에서 분극이 뒤집히는 것을 연구했다. 그림 3에서 알 수 있듯이 실온에서 전기장을 추가하면 SRO 단원자층에 대해 가역적으로 분극 뒤집기 조작을 할 수 있다.
그림 4 밀도 범함이론은 초격자의 철 전극화 및 금속성을 예측한다.
 
연구진은 강한 철전 BTO층과 원자층 금속인 SRO층을 이용해 뒤집힐 수 있는 '철전 금속'을 얻는 데 성공했다. 실험과 이론 결과 모두 전기전도도가 SRO 원자층에서만 나온다는 것을 보여주었다. SRO의 분극은 인접한 BTO의 작용에 의해 안정적으로 존재하며 전기장의 작용에 의해 뒤집어질 수 있어 2차원 철전금속의 성능을 나타낸다.
 
이 연구 성과는 2차원 편극 금속 체계에 새로운 플랫폼을 제공했을 뿐만 아니라 철전, 철자기, 금속성 등 양립할 수 없는 물리적 성질이 공존하는 새로운 양자 다형체 체계를 연구할 수 있는 새로운 길을 열었다. 동시에 전하, 궤도, 스핀과 격자 등 서로 경쟁하는 파라메트릭 결합을 실현하고, 미래 다형태 다중 철 메모리, 센서, 새로운 스핀 전자학과 나노 전자학의 다기능 산화물 부품의 실현을 위한 기초를 마련했다.
 
남과대 물리학과 연구부교수 예마오와 연구조교수 호송백은 이 글의 공동 제1저자이며 천랑과 남창대학 교수 커셴밍은 이 글의 공동 교신저자이다.
 
남과대 물리학과 강석교수 허지아칭, 교수 장문청, 연구부교수 셰린, 연구부교수 장위보; 남과대 재료과학과 공학부 부교수 구맹, 연구 조교수 축원민; 남과대 테스트 센터 엔지니어 호스맨; 뤄진린 중국과학기술대학 교수. 장둥원 국방과학기술대학 교수. 샹탄대학 박사인 장위안과 뉴욕주립대학 버팔로캠퍼스의 교수 장페이홍은 본 업무의 추진에서 큰 지지를 보낸다.
 
이 연구는 국가자연과학기금, 심천시 과학기술혁신기금, 광둥성 자연과학기금, 광둥성 혁신연구개발팀 유치, 남방과학기술대학 고수준 건설프로젝트 등 프로젝트의 지원을 받았다.