초전도 층상물질 IrTe2 단층화 성공

원자력연, 반데르발스 물질 속성 변화 원인 규명...신소재 개발 응용

국내외 공동 연구진이 반데르발스 물질의 특성을 활용해 다양한 응용이 기대되는 신소재를 개발했다. 

한국원자력연구원(원장 박원석)은 중성자과학부 김규 책임연구원이 미국 로렌스버클리 국립연구소 황진웅 박사, 모성관 박사, 캘리포니아주립 버클리대학교 연구팀과 함께 '초전도 층상 물질 이리듐-다이텔루라이드(IrTe2) 단층화'에 성공했다고 3일 밝혔다.

이 연구는 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다. 

반데르발스 물질은 약하게 층층이 결합된 구조를 가진 물질이다. 그래서 그래핀처럼 한 층을 떼어내거나, 다른 종류의 층들을 쌓아 새로운 성질의 물질로 만들기 쉽다. 층층이 결합된 3차원과 단층이 비슷한 구조와 성질을 갖는다고 알려져 있다.

그중 IrTe2는 초전도성과 특이한 구조로 세계 과학계가 주목하는 신소재다. 이번 공동 연구진은 세계 최초로 IrTe2 단층 성장에 성공했을뿐 아니라, 단층에서 구조가 변하고 전도성이 사라지는 현상을 발견했다.

연구진은 기판 표면에 분자나 원자를 조사해 박막 결정을 만드는 분자빔증착법(MBE)으로 IrTe2를 단층화했다. 반데르발스 구조로 느슨하게 결합된 3차원 결정과 달리, 단층 IrTe2는 서로 강하게 결합된 새로운 양자 형태임을 확인했다. 또 도체 및 초전도성을 갖는 3차원 결정과 달리 단층 결정은 전기가 통하지 않는 부도체 특성을 지녔다.

이리듐-다이텔루라이드의 3차원(상) 및 단층(하) 구조도 (자료=원자력연)

단층 결정의 속성이 달라진 원인은 층 사이 활발한 상호작용이라는 점도 밝혔다. 기존 3차원 결정에서 텔루륨은 맞닿은 다른 층 텔루륨과 전자를 공유한다. 그러나 층 분리로 인해 상호작용이 사라지면 텔루륨은 같은 층 이리듐 원자의 전자를 흡수하고, 전자를 뺏긴 이리듐 원자들은 서로 강하게 결합하는 이합체를 형성한다. 구조가 바뀌면서 물질의 성질도 변하게 된 것이다.

김규 책임연구원은 "반데르발스 물질의 특이한 양자역학적 성질을 활용하면 신소재 개발 가능성이 무궁무진하다"라며 “층간 상호작용을 변화시켜 물질의 성질을 바꾸고 원리를 규명한 이번 경험을 토대로, 앞으로 소자기술 응용 방안을 논의할 수 있을 것 "이라고 밝혔다.