국내 연구진이 주석원자층의 금속-절연체 상전이 원인을 규명해 냈다. 하나의 원자층 두께의 얇은 나노박막의 물성을 이해할 수 있는 이론을 제시함에 따라 향후 반도체 집적도 한계를 극복할 나노전자소자 등 차세대 반도체 구현에 기여할 것으로 기대된다.

주석원자층은 반도체인 게르마늄 표면에 금속인 주석원자들이 삼각형으로 정렬하여 형성된 단일 원자층. 원자층 생성이 용이해 전자소자로서 주목받고 있다. 

'금속-절연체 상전이'는 높은 온도에서는 전기가 통하지만 낮은 온도에서는 전기가 통하지 않는 절연체로 변하는 현상이다.

한양대 물리학과 조준형 교수와 이준호, 김현중 연구원이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심)의 지원으로 수행되었고, 물리학 분야 권위지 피지컬 리뷰 레터스지(Physical Review Letters) 최신호(9월 6일)에 게재되었다.(논문명: Ferrimagnetic Slater Insulator Phase of the Sn/Ge(111) Surface)

게르마늄 반도체 표면에 단일층으로 형성된 주석원자층은 실온에서 전기가 흐르지만 영하 240oC 이하가 되면 전기가 통하지 않는다.

전기가 통하지 않는 절연체로 변하는 상전이 현상은 전자간 서로 밀어내려는 힘 때문이라는 것이 정설이었다. 척력으로 전자들의 움직임이 저해되어 전기가 흐르지 않는다는 것이다.

하지만 조 교수 연구팀은 저온에서 주석원자층에 전기가 흐르지 않는 것이 이웃한 전자가 갖는 스핀의 방향이 일정하게 정렬하기 때문임을 알아냈다.

스핀(spin)은 전자가 나타내는 양자역학적 자기현상을 표현한 물리량으로, 스핀의 방향을 이용하면 새로운 개념의 정보저장과 처리가 가능해 양자컴퓨터 등의 구현을 위한 핵심개념으로 주목받고 있다.

전자간 척력 때문이 아니라 전자가 갖는 스핀의 방향이 고정되기 때문이라는 것이다.

이 같은 새로운 이론은 전자밀도 정보를 토대로 주석원자층의 전기적 특성을 새로이 이해한 데 따른 것이다.

방향이 같은 두 개의 스핀과 방향이 다른 하나의 스핀이 교대로 정렬되어 서로의 자기적 효과를 상쇄하지 못하고, 자성을 띠어 전기가 흐르지 않는다는 설명이다.

조 교수는 “이번 연구에서 금속-절연체 상전이의 원인이 새롭게 규명됨에 따라 차세대 나노 전자소자의 물성을 이해하는데 기여하게 될 것”이라고 밝혔다.