초록 ▼

□ 연구개요
위상부도체의 핵심요소인 위상표면상태(topological surface state)는 각도분해광전자분광(ARPES)과 주사투과현미분광(STS) 측정으로 그 존재는 확인되었으나 저온진공 환경에서만 관측되어 상온대기 환경에서 양자물리학적 물성의 연구와 양자소자에의 응용 등에 큰 문제점이 있었다. 특히 벌크자유전자, 양자우물상태 등의 복잡한 전자상태들은 위상표면상태를 선별적으로 연구하는데 큰 지장이 되고 있다. 본 연구에서는 테라헤르츠 분광학적 실험방법을 동원하여 이러한 난점을 극복하고자 했다. 테라헤르츠 시간분해 방식

□ 연구개요
위상부도체의 핵심요소인 위상표면상태(topological surface state)는 각도분해광전자분광(ARPES)과 주사투과현미분광(STS) 측정으로 그 존재는 확인되었으나 저온진공 환경에서만 관측되어 상온대기 환경에서 양자물리학적 물성의 연구와 양자소자에의 응용 등에 큰 문제점이 있었다. 특히 벌크자유전자, 양자우물상태 등의 복잡한 전자상태들은 위상표면상태를 선별적으로 연구하는데 큰 지장이 되고 있다. 본 연구에서는 테라헤르츠 분광학적 실험방법을 동원하여 이러한 난점을 극복하고자 했다. 테라헤르츠 시간분해 방식은 투과와 반사 모두에서 전도도의 실수부와 허수부를 동시에 독립적으로 획득할 수 있고 이 물리량의 온도, 주파수, 자장 변화에서 전하농도, 유효질량, 충돌률, 이동도 등을 추출할 수 있다. 우선 Bi₂Se₃ 위상부도체 박막에 대해 자기 부도체 박막과의 접합과 저온 및 외부 자기장을 인가하는 등 실험의 자유도를 최대한 확보하여 테라헤르츠 투과 실험을 통해 얻은 복소 전도도 분석으로 위상표면상태 및 다른 전자상태들의 개별성을 연구하면서 동시에 이들을 제어하는 연구를 진행했다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구의 목표는 위상부도체의 전자기 특성과 위상표면상태 동역학을 테라헤르츠 시간분해 분광측정을 통해 연구하고 관련 디랙전자상태 형성원리를 탐구하는 것이다. 이를 위해 위상부도체의 복합적인 전자상태를 구성하는 위상표면상태, 양자우물상태, 격자진동, 벌크자유전자상태 등을 테라헤르츠 분광기법을 통해 개별적으로 혹은 집합적으로 탐색하고 Bi₂Se₃ 박막과, 산화물 반도체와의 이종 접합을 통해 연구를 진행하였다. 연세대학교 조만호 교수 연구진의 MBE 기법을 이용한 Bi₂Se₃ 박막과 ALD 증착 방식의 HfO₂ 산화물 반도체와의 이종 접합을 통해 위상표면상태 제어 연구를 진행하였다. 이러한 접합 구조에서는 위·아래 위상표면상태의 혼성상태로 인한 에너지 갭 안에 페르미 레벨이 놓여있는 상태가 구현되었음을 테라헤르츠 분광기법을 통해 얻은 복소 전도도를 통해 확인하였고, 또한 HfO₂ 산화물 반도체 증착 과정에서의 산소 불포화 농도 조절을 통해 불포화 결합 상태의 전자가 갖는 자기 모멘트를 조절해서 위상부도체 박막의 전자-궤도 상호작용과 자기 근접 효과(magnetic proximity effect)를 조절하여 위상표면상태를 제어할 수 있음을 관측하였다. 위상표면상태의 전기동역학 분석을 위한 분광측정을 위해 투과와 반사율을 온도와(4 K ~ 300 K) 자장(0 T ~ 7 T)의 함수로서 측정할 수 있는 장치를 구축하고 이를 통해 전도도 및 Hall 전도도를 유추하는 분석방법을 함께 개발하여 위상부도체 동역학의 통합적인 이해를 시도하였다.

□ 연구개발결과의 중요성
3차원 위상부도체라고 알려진 Bi₂Se₃는 Bi₂Te₃계열의 물질로서 두꺼운 박막물질의 경우 물질 성장시에 생기는 Se 부족 현상과 결점들로 인해 N형 도핑되어 있고, 이로 인해 물질은 위상 표면상태와 양자우물상태 같은 양자표면상태가 주는 영향을 가릴 만큼 큰 벌크 전도도를 갖게된다. 테라헤르츠 영역은 N형 도핑된 위상부도체의 벌크 전도도와 위상표면상태가 갖는 수송자의 특성 차이를 이용해 선별적인 관찰이 가능하여 위상부도체의 전기동역학 분석에 용이함을 보였다. 자장 부도체 HfO₂와의 접합으로 얻은 Bi₂Se₃ 박막의 실험 결과의 경우 산소 결함도가 적은 HfO₂ 위의 Bi₂Se₃ 박막은 혼성결합으로 인한 위상표면상태의 에너지 갭 사이에 페르미 준위가 있어서 부도체의 성격을 갖고 산소 결함도가 높은 HfO2 위의 박막은 전도성을 띄는 결과를 관측했다. 이는 접합 물질의 특성 변화로 위상부도체의 상변화를 유도한 것으로 앞으로 위상부도체를 이용한 응용 가능성을 제시한다고 볼 수 있다. 또한, 같은 위상부도체 박막 시료를 이용하여 앞으로 실험할 초전도와의 접합을 통해 새로운 양자 효과를 기대해 볼 수 있을 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 3
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 12
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 20
• 4. 참고문헌 ... 20
• 5. 연구성과 ... 21
• 대표적 연구실적 ... 25
• 끝페이지 ... 26