물리학과 황진웅 박사와 진영록 석·박사 통합과정생 연구팀이 미국·중국과의 국제 공동연구를 통해 긴 주기의 양자 정렬 상태를 보이는 새로운 2차원 초격자 구조를 세계 최초로 구현하고 그 원리를 밝혀냈다. ‘초격자’란, 긴 주기를 가지며 일정하게 반복되는 원자들의 배열을 가진 결정구조를 뜻한다. 

연구의 중요성은 3차원 물질과 2차원 물질의 이해로부터 출발한다. 3차원 물질은 일정한 크기의 높이와 폭, 그리고 길이를 갖는다. 이 물질을 가장 얇게 자를 수 있는 한계가 원자 한 층의 높이에 해당하며, 3차원 물질과 유사한 넓이를 가지지만 0.1 나노미터(100억분의 1미터) 크기의 원자 한 층의 높이를 가지는 물질을 2차원 물질이라고 한다. 

예를 들어, 연필심으로 쓰이는 흑연은 3차원 물질이며, 이는 탄소 원자 한 층이 벌집모양의 구조를 가지는 그래핀이라는 물질이 층층이 쌓여있는 구조를 가진다. 따라서 흑연을 가장 얇게 잘랐을 때 얻을 수 있는 물질인 그래핀은 2차원 물질이다.  

그래핀의 경우처럼 한 층으로 떼어 낼 수 있는 층상물질은 층 사이의 약한 힘인 반데르발스 힘에 의해 그 구조가 유지되기 때문에 이들이 쌓여 있는 흑연에 아주 약간의 힘만 가하면 층상물질을 떼어 내어 글씨를 쓸 수 있게 된다. 이러한 층상물질을 원자 두께의 단일 층으로 떼어 내 2차원 물질을 구현하면 결합 때의 그 힘이 없어지면서 3차원 물질과는 다른 특성을 가지게 되기도 하고, 또는 다른 종류의 단일 층을 쌓아 기존에 존재하지 않던 성질을 가지는 새로운 물질로도 제작이 가능해 최근 수년간 학계에서 집중적인 연구 주제로 다뤄지고 있다. 

특히, 층상물질은 구성되는 원소에 따라 층 사이의 상호작용에 차이가 있을 수 있어, 초박막(나노미터 높이의 아주 얇은 막)으로 제작됐을 때 기존의 3차원 물질 혹은 단일 층 물질과 동일한 구조를 가지지만 전혀 다른 양자 상태를 구현할 수 있다. 이를 제어하기 위해서는 새로운 방식의 제어법이 요구되며 이를 통해 새로운 패러다임의 소자 개발이 가능해진다. 층상물질이 산업계에서도 조명 받는 이유다.

이러한 이유로 다양한 층상물질에 바탕을 둔 2차원 물질의 두께를 변화시킴으로써 새로운 양자 상태를 구현하려는 노력이 지속되고 있다.

연구팀은 원자의 흡착량을 미세하게 조절할 수 있는 방법인 분자빔증착법(molecular beam epitaxy)을 이용해 1T-TaTe₂*라는 물질을 두께 제어가 가능한 초박막의 형태로 제작했고, 이 물질에서 기존에 보고된 바 없는 새로운 격자 구조와 양자 정렬 상태(전하밀도파: charge density wave)가 긴 주기로 형성됨을 실험과 이론의 공동 연구를 통해 규명하였다. 원자 흡착량의 미세 조절로 불순물이 최소화된 이상적인 구조를 구현하고 이를 통해 새로운 양자 상태가 안정적으로 발현될 수 있음을 밝힌 것이다.  

* 1T-TaTe₂: 전이금속 1개와 산소족원소 2개로 만들어지는 2차원 전이금속 칼코겐 화합물의 한 종류로 탄탈륨(Ta) 원자와 텔루륨(Te) 원자가 한쪽 방향으로 약간 기울어진 채로 결합(1T 위상)하는 구조를 가지는 2차원 물질 중의 하나이며, 최근 다양한 주기성의 양자 정렬 상태를 가지는 흥미로운 물질로 학계의 관심을 받고 있다.   

연구팀의 이번 발견은 3차원 물질에서 나타나지 않던 새로운 양자 상태를 만들고 탐험할 수 있는 학문적인 길을 열었을 뿐 아니라, 다른 층상물질과의 이종접합 구조로부터 새로운 패러다임의 소자 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 

<도식화된 1T-TaTe2 초격자 구조와 이 구조에 대한 전기적/구조적 특성 측정 결과> 

이번 연구는 물리학과 황진웅 박사(지도교수 황춘규)가 제1저자 및 교신저자, 진영록 석·박사 통합과정생(19학번, 지도교수 이재광)이 공동 제1저자로 수행한 ‘켜쌓기*로 성장한 1T-TaTe₂에서의 √19×√19 초격자 구조 형성(A Novel √19×√19 Superstructure in Epitaxially Grown 1T-TaTe₂)’이라는 논문으로 발표됐으며, 국제 학술지 『Advanced Materials』 온라인 7월 28일자에 게재됐다.

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adma.202204579

* 켜쌓기: 원자를 한 층씩 쌓아올려 물질을 합성하는 방법

제1저자이자 교신저자인 물리학과 황진웅 박사는 “이번 연구는 층상소재의 층 쌓기 형태를 바꿈으로써 새로운 초격자 구조를 가지는 물질을 만들었고, 원자 흡착을 미세 조절하는 방법을 이용해 3차원 물질에서 나타나지 않던 새로운 양자 상태를 만들 수 있는 길을 열었다는 데 의의가 있다”고 말했다.

황진웅 박사는 부산대에서 학사와 석사·박사과정을 모두 이수하고 박사후 연수과정을 거쳐 올해 9월 강원대 물리학과 교수로 임용돼 연구를 지속하고 있다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 해외대형연구시설활용연구지원사업, 교육부의 핵심연구지원센터 조성지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 부산대가 연구를 주도해 미국 스탠포드대학교, 로렌스 버클리 국립 연구소, 캘리포니아 대학교-버클리와 중국 푸단대학교 및 국내 한국과학기술연구원(KIST), 한국원자력연구원(KAERI)과 공동으로 진행했다. 

* 인물사진: 왼쪽부터 뒷줄 진영록(제1저자) 석·박사 통합과정생, 황진웅(제1저자·교신저자) 박사, 앞줄 지도교수인 황춘규 교수와 이재광 교수

[Abstract]

Van der Waals materials have been one of the main themes in scientific research, as they can be not only cleaved to realize ideal two-dimensional systems with single atomic thickness, but also stacked to create completely new quantum properties that do not existed when they stand alone. Especially, the interlayer interactions play an important role in the new phenomena that naturally request a new method to control them and hence invite a new paradigm of device technology. Here we report the first realization of ultrathin 1T-TaTe2 films using molecular beam epitaxy, which leads to the formation of long-period charge density wave that is also confirmed by our theoretical works. This work paves a way towards the realization of a new quantum state of a matter that does not emerge in its three-dimensional form. 

- Paper Title: A Novel √19×√19 Superstructure in Epitaxially Grown 1T-TaTe₂

- Authors: Jinwoong Hwang, Yeongrok Jin, Canxun Zhang, Tiancong Zhu, Kyoo Kim, Yong Zong, Ji-Eun Lee, Zongqi Shen, Yi Chen, Wei Ruan, Hyejin Ryu, Choongyu Hwang, Jaekwang Lee, Michael F. Crommie, Sung-Kwan Mo, Zhi-Xun Shen

- URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204579