▲ 조준형 교수.

주석원자층이 저온에서 전기가 흐르지 않는 원인이 전자가 갖는 스핀의 방향이 고정되기 때문이라는 이론이 새롭게 정립됐다.

미래창조과학부(장관 최문기)는 최근 한양대 물리학과 조준형 교수팀이 ‘주석원자층의 금속-절연체 상전이 원인’을 규명했다고 밝혔다.

이번 연구를 통해 하나의 원자층 두께의 얇은 나노박막의 물성을 이해할 수 있는 이론을 제시함에 따라 향후 반도체 집적도 한계를 극복할 나노전자소자 등 차세대 반도체 구현에 기여할 것으로 기대되고 있다.

게르마늄 반도체 표면에 단일층으로 형성된 주석 원자층은 실온에서 전기가 흐르지만 영하 240℃ 이하가 되면 전기가 통하지 않는다.

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

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

이는 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 정렬돼 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.

한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심)의 지원으로 수행됐고, 물리학 분야 권위지 피지컬 리뷰 레터스지(Physical Review Letters) 최신호(9월 6일)에 게재됐다.

▲ 게르마늄 표면(회색)에 형성된 주석원자층(붉은색) 모식도.