초록 ▼

연구개요
층상구조 물질의 전자구조 전이를 이해하는 것은 응집물질물리에서 매우 흥미로운 문제다. 고온 초전도 특성을 보이는 구리 산화물이나 철계 물질들이 모두 층상 구조를 가지고 있는데, 온도, 압력, 도핑 등에 대해 매우 민감한 전자구조 변화를 보이고 있다. 이황화 탄탈럼은 반데르발스 힘에 의해 3차원 적층 구조를 갖는 2차원 전이금속 칼코게나이드 중의 하나인데, 흥미롭게도 고온초전도 물질과 전체적으로 유사한 전자구조 상도표를 보인다. 이황화 탄탈럼의 저온 절연체 상은 전자간 강한 상호작용에 의한 2차원 모트 절연체로 오랫동안

연구개요
층상구조 물질의 전자구조 전이를 이해하는 것은 응집물질물리에서 매우 흥미로운 문제다. 고온 초전도 특성을 보이는 구리 산화물이나 철계 물질들이 모두 층상 구조를 가지고 있는데, 온도, 압력, 도핑 등에 대해 매우 민감한 전자구조 변화를 보이고 있다. 이황화 탄탈럼은 반데르발스 힘에 의해 3차원 적층 구조를 갖는 2차원 전이금속 칼코게나이드 중의 하나인데, 흥미롭게도 고온초전도 물질과 전체적으로 유사한 전자구조 상도표를 보인다. 이황화 탄탈럼의 저온 절연체 상은 전자간 강한 상호작용에 의한 2차원 모트 절연체로 오랫동안 알려져 왔다. 그러나, 최근 이론 계산에 의하면 반데르발스 물질임에도 불구하고 층간 상호작용이 강하여 2차원 모트 절연체가 깨어지고 금속성이 된다는 것이 알려졌다. 이들 이론 연구에서는, 그러나, 실험에서 보인 절연체 상의 실체에 대해서는 답을 제시하지 못했다. 본 연구에서는 제일원리 계산을 이용하여 이황화 탄탈럼의 저온 절연체 상의 원인을 규명하였다. 층간 상호작용에 대한 체계적인 분석을 통해서 절연체 상의 형성 원인을 밝혀내고, 온도, 압력, 도핑에 대한 의존성을 규명하였다.

연구 목표대비 연구결과
본 연구에서는 이황화 탄탈럼 저온 절연체상의 원인으로서 층간 상호작용에 의한 파이얼스 밴드갭 열림의 가능성에 주목하고 이에 대해 체계적인 이론 계산을 진행하였다. (1) 먼저 밀도범함수이론에 기반한 제일원리 계산을 이용하여 이황화탄탈럼의 2차원 전하밀도파가 수직방향으로 정렬되는 질서의 가능성에 대해 체계적으로 분석하였다. 2차원 이황화 탄탈럼이 수직으로 적층될 때 나타날 수 있는 다양한 전하밀도파 적층 배열에 대해서 제일원리 계산을 수행하여 에너지가 낮은 배열 구조를 찾았다. 그 결과, 예상대로 배열이 두 층 씩 주기를 가지고 있는 경우가 에너지가 가장 낮고, 밴드갭이 열린다는 것을 확인하였다. 즉, 이황화 탄탈럼의 저온 절연체 상의 원인을 규명하였다. (2) 두 번째로, 절연성 적층 배열 구조에 압력과 도핑이 가해졌을 때의 영향을 분석하였다. 압력이나 도핑을 가하는 경우, 다른 금속성 적층 배열구조가 절연성 구조보다 에너지가 더 낮아짐을 확인하였다. (3) 온도 의존성을 이해하기 위해 1차원 유효 모델을 만들고, 몬테카를로 시뮬레이션을 진행하였다. 이롤 통해서, 온도 의존성뿐만 아니라, 실험에서 발견된 금속-절연체 상전이의 이력 현상을 규명할 수 있었다. (4) 계산된 온도, 압력, 도핑 효과를 반영하여 전자구조 상도표를 그렸다. 실험에서 얻은 상도표와 매우 유사한 상도표를 얻었으며, 각 상태에 대한 미시적인 원인을 제시할 수 있었다.

연구개발결과의 중요성
본 연구에서는 층상구조 반데르발스 물질인 이황화 탄탈럼의 저온 절연체 상의 근본 원인을 규명하였다. 오랫동안 모트 절연체로 알려져 온 이 물질이 층간 상호작용에 의한 밴드 절연체라는 것을 증명하였다. 이것은 지난 40여 년간 잘못 알고 있었던 것을 바로잡았다는 점에서 중요한 의미를 가진다. 이황화 탄탈럼은 빛에 의해 수십나노초 내에 절연체-금속 전이를 보이기 때문에 소자로의 응용도 기대된다. 본 연구는 이 물질의 절연체-금속 전이 메커니즘을 밝혀 소자 응용을 촉진할 것으로 기대된다. 또한, 본 연구 결과는 유사한 전자구조 상전이를 보이는 고온초전체 물질 등에 상당한 함의를 가진다. 이런 물질에서도 층간 상호작용이 중요하게 작용할 가능성이 있다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• A. 이황화 탄탈럼 저온 절연체 상의 원인 규명 ... 5
• B. 저온 절연체 상의 압력, 도핑에 의한 절연체-금속 전이 원인 분석 ... 6
• C. 저온 절연체 상의 온도 의존성에 대한 몬테카를로 시뮬레이션 ... 6
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 7
• 4. 참고 문헌 ... 7
• 끝페이지 ... 7