초록 ▼

□ 연구개요
본 연구에서는 ABX₃ 형태의 2차원 전이금속 칼코겐 화합물에 대한 제일원리 전자구조 계산과 위상밴드 모델 분석을 통해 새로운 천-부도체(Chern insulator)의 양자물성 연구를 수행하였다.
천-부도체는 외부자기장을 가하지 않고도 양자 홀 효과(quantum Hall effect)이 구현될 수 있는 물질을 의미한다. 이런 물리현상의 근간에는 시간반전 대칭성이 깨진 절연체에서 non-trivial topology를 갖는 전자구조가 있다. 밴드의 파동함수에 연결된 Berry phase에

□ 연구개요
본 연구에서는 ABX₃ 형태의 2차원 전이금속 칼코겐 화합물에 대한 제일원리 전자구조 계산과 위상밴드 모델 분석을 통해 새로운 천-부도체(Chern insulator)의 양자물성 연구를 수행하였다.
천-부도체는 외부자기장을 가하지 않고도 양자 홀 효과(quantum Hall effect)이 구현될 수 있는 물질을 의미한다. 이런 물리현상의 근간에는 시간반전 대칭성이 깨진 절연체에서 non-trivial topology를 갖는 전자구조가 있다. 밴드의 파동함수에 연결된 Berry phase에 의한 Berry flux가 자기장과 같은 역할을 하기 때문에 나타나는 성질이라고 할 수도 있다. 천-부도체를 구현하기 위한 필요조건으로 시간반전 대칭성이 깨진 강자성을 갖는 동시에 non-trivial topology의 전자구조를 갖는 자성-위상 절연체가 필요하다. 본 연구에서는 2차원 물질 중에 하나인 CrTiSe₃를 대상으로 전하 도핑-격자변형을 통한 새로운 형태의 천-부도체 물성을 탐색하였으며, 그 결과로 Δn_e = 1 전자가 도핑된 상태에서 특이한 QAHE (quantum anomalous Hall effect)가 나타남을 밝혔다. 당초 예상했던 천-부도체 상태의 예측과 더불어, 전자가 도핑된 CrTiSe₃에서 흥미로운 자기이방성 특성이 있음을 간파하였고, 그에 따른 위상 상전이 변화를 실험적으로도 측정할 수 방안을 제시하는 성과를 얻었다. 결과적으로 본 연구를 통해 기대했던 2차원 전이금속 칼코겐 화합물 군에서 새로운 강자성 위상물질을 탐색과 전하 도핑-격자변형을 통한 새로운 형태의 천-부도체 같이 연구를 성공적으로 수행하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구에서 제시했던 2차원 강자성 천-부도체 물성 탐색 연구의 연구목표는 (i) 2차원 ABX₃ 강자성 물질 후보군에서 non-trivial Chern numer를 가질 수 있는 양자물성 탐색과 (ii) 전하 도핑과 격자변형 등을 통한 위상물질 후보 탐색로 정리할 수 있다.
ABX₃ 강자성 물질에서 천-부도체 양자물성 탐색 결과로 CrSiTe₃ 등의 물질에서 전자 도핑에 따른 위상전자구조 계산을 수행하여 Δn_e = 1 전자가 도핑된 상태에서 특이한 QAHE (quantum anomalous Hall effect)가 나타남을 이론적으로 밝힌 바 있다. 전자 도핑을 통해 유도된 천-부도체 상태는 벌집구조 격자에 놓인 전이금속 d 전자의 e_g manifold가 핵심적인 역할을 담당하는 밴드위상구조가 핵심역할을 함을 확인하였다. 이와 같은 전자도핑 상태는 최근 2D 물질에서 활용되는 액체 게이트(liquid gate)를 이용한 도핑으로 실현 가능한 영역에 있는 것으로 판단되어, 현재 실험 그룹들과 공동연구를 진행 중에 있다.
전하 도핑에 따른 밴드위상구조의 변화를 이끌어 낸 결과와 더불어, 본 연구를 통해 얻은 새로운 결과는 전자가 도핑된 CrTiSe₃에서 흥미로운 자기이방성 특성이 있음을 보인 데에 있다. 당초 예상한 천-부도체는 외부자기장이 없는 상태에서 QAHE를 발현할 수 있다는 것인데, 실제로는 부도체가 아닌 semi-metal 상태가 될 가능성이 높다. 하지만 천 상태에서 외부자기장이 가해질 경우, 자기이방성에 의해 새로운 Hall 효과가 특이한 변화가 유도될 수 있음을 발견하는 성과를 얻었으며, 이 결과는 전하도핑-외부 자기장-격자변형에 대한 새로운 물리적 효과를 탐색할 수 있음을 제시하여 매우 고무적인 결과로 판단된다.
본 연구과제 수행결과로 전문학술지(SCI)에 1편의 논문을 출판하였으며 추가로 2편의 논문발표를 준비하고 있으며, 국제학술회의에서 2회 초청발표를 한 바 있다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구의 주요 결과는 현재 논문 투고 준비 중에 있다. 제일원리계산 수행을 통해 얻은 결과는 CrTiSe₃를 포함 ABX₃ 물질 군에서 천-부도체 구현의 가능성을 확실히 예측하고, CrTiSe₃ 물질의 자기 비등방성에 의해 전하도핑-외부자기장 간의 상관성이 QAHE 홀 전도도 측정을 통해 확인할 수 있음을 보였다.
2차원 강자성 위상물질은 위상밴드 구조와 동시에 강자성 half-metal 특성을 모두 가질 수 있는 독특한 물질이다. 특히 ABX₃ 또는 AX₃ 구조에서 전이금속과 칼코겐 또는 할로겐 원소의 조합에 따라 원하는 특성의 구현될 수도 있다. 본 연구에서 보여준 자성 비등방성을 이용한 위상특성 변화와 양자상전이 가능성 등은 실제로 2차원 ABX₃ 물질에서 자성-위상이 결합한 새로운 양자물성의 응용 가능성을 의미한다. 따라서, 향후 2차원 물질만의 특징인 기판-박 막 구조를 만들어 격자변형, 전하 도핑, 외부 자기장을 쉽게 걸 수 있는 점 등을 이용한다면 양자비정상 홀 효과 (QAHE)를 제어할 수 있는 전자 장치를 설계하는데 이론적인 배경 을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• (가) 연구의 목적 ... 4
• (나) 연구의 필요성 ... 4
• (다) 연구의 범위 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• (가) 연구의 방법 ... 6
• (나) 연구의 과정 및 내용 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 10
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 10
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• 3) 목표 달성 수준 ... 13
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 14
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 6. 참고문헌 ... 15
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 17
• 끝페이지 ... 20