초록 ▼

□ 연구개요
위상절연체는 높은 이동도 및 스핀 운동량 잠금 현상 특성을 갖는 디락표면상태를 통해 미래 전자소자, 스핀트로닉스 및 양자컴퓨팅 분야에서 활용성이 높을 것으로 평가받고 있다. 본 연구과제에서는 위상절연체의 디락표면상태를 제어하는 다양한 방법을 제시하고, 디락표면상태 제어에 따른 운반자 특성 변화 연구를 수행하였다. 특히, 선행연구에서 얻은 결과들을 발전시켜 스핀 운반자, 스핀 편극 등의 스핀트로닉스 특성 연구를 추가로 수행하였다.
한편, 위상절연체의 벌크는 높은 열전효율을 가지고 있어 신재생 에너지 소재로 주목

□ 연구개요
위상절연체는 높은 이동도 및 스핀 운동량 잠금 현상 특성을 갖는 디락표면상태를 통해 미래 전자소자, 스핀트로닉스 및 양자컴퓨팅 분야에서 활용성이 높을 것으로 평가받고 있다. 본 연구과제에서는 위상절연체의 디락표면상태를 제어하는 다양한 방법을 제시하고, 디락표면상태 제어에 따른 운반자 특성 변화 연구를 수행하였다. 특히, 선행연구에서 얻은 결과들을 발전시켜 스핀 운반자, 스핀 편극 등의 스핀트로닉스 특성 연구를 추가로 수행하였다.
한편, 위상절연체의 벌크는 높은 열전효율을 가지고 있어 신재생 에너지 소재로 주목받고 있다. 본 연구과제에서는 위상절연체 나노구조체를 제작하고, 벌크특성을 이용한 열전 특성 연구를 수행하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
다양한 방법으로 디락표면상태를 제어한 위상절연체의 운반자 동역학 분석 연구 부분에서는 두께에 따른 근접효과 제어, 구조적 변형에 따른 위상표면 사이의 coupling 메커니즘 분석, 산화에 따른 표면상태 및 광운반자 동역학 분석, 유연기판을 통한 반데르발스 gap 조절 및 위상 표면간의 상호작용 변화 분석, 그래핀과의 이종접합 구조에서 그래핀에 의한 표면상태 제어 및 표면 닫힘 현상 분석 등을 진행하여 목표하고자 한 내용을 모두 달성하였다.
디락표면상태가 제어된 위상절연체의 스핀-운반자 동역학 분석 부분은 optical pump 및 THz 측정 (OPTP)을 통해 위상절연체와 전이금속산화물 접합구조에서 디락표면제어 및 스핀 전하 전환 메커니즘 분석을 완료하였고, 위상절연체 나노선에서 의도적인 산화막 형성에 따른 OPTP 측정을 통해 표면상태 제어에 따른 광전류 특성변화 분석을 완료하였다. 전류를 흘러주는 상황에서 광학적 스핀구조 측정을 통해 전류 및 입사 빔의 방향에 따라 축적되는 스핀 방향 및 세기의 변화를 확인하였다. 따라서 나노선의 표면상태 제어에 따른 광전류 특성변화 원인을 OPTP 측정 및 운반자 동역학 분석을 통해 완전히 규명하여 연구에서 목표한 내용을 모두 달성하였다.
디락표면상태가 제어된 위상절연체 스핀소자 연구 부분에서는 강자성체에 접합한 위상절절연체의 THz 발광 실험 및 밀도범함수이론 계산을 통해 디락표면 hybirdization에 따른 스핀-전하 전환 특성 매커니즘을 분석하고 성공적으로 스핀 특성을 제어하였다. 또한, 반강자성체에 증착한 위상절연체의 자기저항 및 THz 투과 측정을 통해 반강자성체에 의한 표면 위상특성 변화 및 표면밴드 변화에 따른 산란인자 증가 및 스핀-궤도결합 세기 약화를 확인하였다. 하지만, 스핀광전류 측정 셋업을 완료하였고, 편광된 빔 입사에 따른 스핀 전류의 방향 변화를 확인하였으나 optical pump electrical probe 측정을 통해 위상절연체 광전류 운반자 동역학에 대한 측정 및 분석이 완료되지 않은 부분이 있다.
위상절연체 기반 열전물질의 운반자 동역학 및 열전특성 분석의 경우 Bi2Te3와 Te가 혼재된 박막에서 superlattice-like 구조를 확인하고 매우 높은 열전특성을 확인하고 OPTP, 밀도범함수 계산을 통해 새로운 포논산란에 의한 열전도도 감소의 영향임을 분석하여 높은 열전특성의 원인을 분석하는 목표하고자 한 내용을 모두 달성하였다.
위상절연체 기반 나노구조체 열전소자 제작 및 측정 부분에 대해서는 열전 측정을 진행하기 위한 소자 구현 및 측정을 진행하기 위한 셋업 구성을 완료하고 열전소자 내에 온도 구배 및 측정이 가능한 소자 제작을 완료하였다. 그러나 나노구조체에 대한 측정에서 기술적인 문제들이 해결되지 않아서 측정data를 안정적으로 얻을 수 없었다.

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
디락표면상태의 제어를 통해 위상절연체의 운반자 특성 및 스핀 특성의 제어가 가능함을 보이는 것은 위상절연체의 실용적 응용 가능성을 타진하는 중요한 작업이다. 본 연구를 통하여 확보한 스핀의 편향도, 전송 거리(또는 시상수), 전송 속도 등의 다양한 물성 정보는 스핀트로닉스, 양자컴퓨팅 등의 분야에서 위상절연체 기반 단위 소자의 성능을 예측하는데 중요한 지표가 될 것이다. 따라서, 향후 산업계에서 이러한 단위 소자를 기반으로 소형 양자 디바이스를 구현하기 위한 기초연구가 되어줄 것이다. 또한, 다양한 위상절연체기반 나노 구조체에 대하여 표면 디락상태에 의한 전자전송특성과 나노 구조에 기인한 포논산란특성은 향후 산업적, 학술적으로 디락표면상태의 결정립계면에서의 산란 및 전송특성에 대한 이해를 증진시켜 줄 것이며, 이는 향후 위상절연체 기반 소자에 대한 본격적인 실용 연구 시 막질과 전송특성의 연관 관계에 대한 중요한 정보를 제시하여 줄 것으로 기대된다. 또한 다양한 형태의 위상절연체 나노구조체에서의 포논 산란과 그를 통한 격자 열전도도의 억제의 상관관계에 대한 연구 결과는 구조적 특성과 포논산란의 연결고리를 확연히 드러낼 것이며 이는 열전성능향상의 방향을 제시해 줄 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 12
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 12
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• 3) 목표 달성 수준 ... 12
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 14
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• (1) 디락표면상태가 제어된 위상절연체에 대한 운반자 동역학 분석 ... 16
• (2) 위상절연체 기반 열전물질에 대한 운반자 동역학 및 열전특성 분석 ... 17
• (3) 디락표면상태가 제어된 위상절연체에 대한 스핀-운반자 동역학 분석 ... 17
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 6. 참고문헌 ... 18
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 20
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 25
• 끝페이지 ... 40