화학공학소재연구정보센터
  • 전도체이면서 절연체인 새로운 재료등록일 : 2015/12/13
  • 특정 화합물의 화학 조성을 신중하게 조절함으로써, 미국 연구진은 “위상 결정질 절연체(topological crystalline insulator)”를 만드는데 성공했다. 벌크는 절연체로서 행동하지만, 표면은 전자 운동과 스핀 간의 결합을 통해서 전류가 전도된다.

    위상 절연체와 초전도체를 결합시킴으로써, 반도체 전자소자와 계산 분야에 폭넓게 적용할 수 있는 첨단 재료를 디자인할 수 있다. 또한 이것은 스핀트로닉스와 양자 계산과 같은 새로운 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

    이번 연구진은 독특한 전기 전도를 가진 표면을 가지지만 벌크 내에서는 전도성을 가지지 않는 화합물을 발견했다. 이론학자들은 몇몇 재료들이 위상 절연체로서 행동할 수 있다는 것을 예측했다. 이런 재료들은 스핀과 운동량이 결합된 표면에서만 전기 전도가 발생한다.

    3차원 위상 절연체와 위상 결정질 절연체는 재료의 새로운 양자 상태를 나타낸다. 실험적으로, 중요한 온도 범위에서 표면 상태는 전달 특성들을 지배할 수 있는 높은 벌크 저항성을 가지기가 어렵다. 이번 연구진은 두께 의존성 전달 연구와 자기저항(magnetoresistance) 측정을 기반으로 새로운 화합물이 표면에서는 전도성을 가지면서 벌크에서는 높은 저항성을 가진다는 것을 증명했다.

    이런 결합은 재료 속의 불완전성에 의해서 표면 전자들이 후방 산란하는 우호적인 특성을 가진다. 샘플의 벌크는 절연성을 가지고 있기 때문에, 샘플을 따라서 흐르는 전류는 이러한 양자 기계 커플링에 의해서 보호된 스핀-분극된 표면 전자들만이 존재한다.

    실험주의자들은 예측된 위상 표면 상태를 가지는 수많은 화합물을 합성했다. 그러나 지금까지 이런 재료들은 제어하기가 어려운 원자 크기의 결함을 가지고 있기 때문에 벌크에서 비-절연성을 가졌다. 현재, 국립 브룩헤이븐 연구소(Brookhaven National Laboratory)의 연구진은 결정 내부(벌크)는 어떤 전도성을 가지지 않으면서 표면에만 전도성을 가진 새로운 재료를 개발했다. 이 재료는 인듐이 도핑된 Pb1-xSnxTe로 구성되었다.

    이 연구결과는 전하가 아니라 전자스핀으로 제어될 수 있는 전자 장치를 만들 수 있고, 매우 큰 에너지 절감 효과를 가질 것이다. 이 연구결과는 저널 Physical Review B에 “Surface-state-dominated transport in crystals of the topological crystalline insulator In-doped Pb1−xSnxTe”라는 제목으로 게재되었다.

    그림. 위상 결정질 절연체의 표면 위에 녹색 화살표 방향으로 움직이는 전자(금 구체)를 보여주는 구조도. 전자의 양자 기계적 스핀(청색 화살표)은 이것의 운동 방향으로 커플링되어 있다.

  • 키워드 : 전도체, 절연체, 위상 결정질
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑