[스마트경제=복현명 기자] 이재찬 성균관대학교 신소재공학부 교수 공동연구팀이 전이금속 산화물에 숨겨진 물질 상태를 이론적으로 예견하고 이를 박막 표면에 실험적으로 구현하는 데 성공했다.
본 연구에서 예견, 구현한 숨겨진 물질 상태는 전하 질서상으로 초전도 특성, 거대 자기저항, 다강성 등 중요한 응용 물성을 유도하는 데 있어서 출발점으로 알려져있는 물질 상태이다.
전하 질서상은 지금까지 전이금속 산화물 중 전이금속 양이온의 d궤도를 전자가 다량 점유하고 있는 경우에 존재할 수 있는 것으로 알려졌으나 본 연구에서는 전자가 전이금속 양이온의 d궤도를 가장 적게 점유하고 있는 전이금속 산화물에서도 전하 질서상이 박막 표면에 안정적으로 존재할 수 있음을 이론적으로 예견하고 실험적으로 구현했다.
본 연구의 학술적 의미는 전하 질서상의 존재는 원소 주기율표에서의 3d 전이금속 산화물 전 영역에서 발생될 수 있음을 밝혔다는 것이다.
본 연구의 대상인 타이타늄산 스트론튬(SrTiO3)은 대표적인 페로브스카이트 전이금속 산화물로 복합 산화물에서 최초로 초전도상이 발견되는 등 중요한 물성이 발현된 바 있다.
그러나 타이타늄산 스트론튬은 전이금속인 타이타늄의 d 궤도를 점유하고 있는 전자가 다른 전이금속에 비해 가장 적어 상대적으로 전자와 전자 간의 상호작용이나 전자와 격자 간의 결합이 약한 물질로 알려져왔다.
이로 인해 전하 질서상이 존재하기 힘들다고 알려져 있었고 강상관계 물질로서의 신물성 유도에는 제한적으로 활용돼 왔다.
연구진은 우선 제일원리 계산으로 스트론튬을 란타넘으로 일부 치환해 전자가 도핑된 타이타늄산 스트론튬에서 전하 질서상이 준안정상으로 존재함을 이론적으로 예견했다.
이후 연구진은 란타넘 도핑된 타이타늄산 스트론튬 박막을 타이타늄산 스트론튬(001) 기판 위에 원자층 수준으로 제어하며 성장시켰고 그 결과 박막 표면에서 전하 질서상이 유발돼 박막 내부로 침투하며 안정화되는 것을 실험적으로 확인하고 제일원리 계산으로 설명했다.
이재찬 성균관대 신소재공학부 교수는 “박막 표면을 이용해 준안정상을 안정화하는 본 연구의 접근방식은 추후 초전도, 거대 자기저항, 다강성과 같이 전하 질서상에서 비롯될 수 있는 중요한 물성을 발현시키는 데 있어 플랫폼 역할을 할 것으로 기대된다”고 말했다.
복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr
