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서강대학교(총장 심종혁) 물리학과 유효빈 교수, 양상모 교수 연구팀(공동교신저자: 하버드대학교 김필립 교수)은 학계 최초로 실환경 투과전자현미경(Operando transmission electron microscopy) 분석법주1)을 개발하여 전압 인가 시 나타나는 2차원 강유전체의 분극 도메인 구조 변화를 실시간 관찰하였다. 해당 연구 결과는 물질의 구조를 제어하여 정보를 저장하고 읽는 차세대 비휘발성 메모리 소자를 개발하는 데 있어 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

본 연구 성과는 고체물리학, 재료과학 분야의 최고 권위 학술지 Nature Materials (피인용지수 47.656)에 2023년 6월 26일 온라인 게재되었으며, 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단 기초연구실 사업의 지원으로 수행되었다.

투과전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM)은 소재의 구조를 분석하는 장비로 빛 대신 전자를 활용함으로써 매우 작은 스케일의 구조까지 세밀하게 관찰하는데 활용될 수 있다. 특히 최근 관련 기술의 발달로 인해 물질을 구성하는 기본 입자인 원자의 배열까지 직접 관찰하는 것이 가능하여 투과전자현미경은 과학 및 산업계에서 새로운 소재를 개발하는데 널리 활용되고 있다. 소재가 나타내는 물리적 특성은 소재를 구성하는 원자들의 배열 구조에 의해 결정되므로 원자 구조를 명확히 규명하는 것은 소재 연구의 필수적 요소이다.

더 나아가 새로운 소재를 유용한 기능의 전자소자로 활용하려면 원자 구조의 정적인 특성뿐 아니라 동적인 특성을 관찰하고 이해하는 것이 중요하다. 예를 들어 전자소재에 전압을 인가하면 원자 구조의 변화가 나타나고, 이를 통해 정보를 저장하고 읽는데 활용할 수 있다. 즉 원자 구조의 변화 과정을 이해함으로써 고성능의 메모리 소자를 개발하는데 필요한 정보를 얻을 수 있다. 하지만 기존의 투과전자현미경을 활용한 구조 분석 방법은 기술적 한계로 인해 정적인 상태의 물질 구조를 연구하는 것에 집중되어왔다. 따라서 전자소자가 작동하는 환경에서 나타나는 원자 구조의 변화를 규명하기 어렵다는 것이 기존 분석법이 지닌 한계점이었다.

본 연구진은 실환경 투과전자현미경 분석법주1)을 개발하여 실제 전자소자가 작동하는 환경에서 전압 인가를 통해 물질의 구조 변화를 유도하였고, 이 변화 과정을 최초로 실시간 관찰하였다. 원자 구조를 변화시켜 정보를 저장하는 과정에서 저장 속도를 결정짓는 구조적 인자들을 파악할 수 있었고, 이를 통해 고성능 메모리 소자 개발에 크게 이바지 할 것으로 기대된다. 또한 물질의 원자 구조를 정적인 상태에서만 분석해왔던 기존 분석법의 한계를 극복하고 동적인 관점에서 분석하는 새로운 패러다임을 제시하였다.

주1) 실환경 투과전자현미경 (Operando transmission electron microscopy) 분석법: 전자소자가 작동하는 실환경에서 나타나는 물질의 구조 변화를 실시간 관찰하는 분석방법.

▲ a) 실환경 투과전자현미경(operando TEM) 분석 과정의 개략적인 형태와 분석을 위해 제작한 실환경 투과전자현미경 칩(operando TEM chip)의 모습.

b-c) 전압 인가에 따라 두 종류의 분극 도메인(각각 밝고 어둡게 표현된 영역)이 변화하는 과정을 실시간 관찰한 모습.

서강대 물리학과 유효빈 교수는 “본 연구에서는 ‘실환경 투과전자현미경 분석법’을 새롭게 개발하여 전자소자가 실제로 작동하는 환경에서 나타나는 물질의 원자 구조 변화를 실시간으로 관찰하였다. 기존에는 멈춰있는 상태의 물질 구조는 상세히 관찰할 수 있었지만, 전자소자가 작동할 때의 구조 변화 과정은 알 수 없다는 한계점이 존재했다. 본 연구진이 새롭게 개발한 분석법은 앞으로 신소재 및 소자 개발 연구에 새로운 기여를 할 수 있을 것이다”라고 전했다.

서강대 물리학과 양상모 교수는 “본 연구에서 살펴본 2차원 강유전체는 기존 강유전체와는 완전히 다른 분극 스위칭 메커니즘을 갖는 물질이다. 두께가 매우 얇고 분극소거장 효과가 작은 등 여러 장점이 있어 차세대 비휘발성 메모리 소재로 주목받고 있다. 본 연구는 실환경 투과전자현미경으로 실제 강유전 도메인이 외부 전기장에 의해 어떻게 움직이는지를 관측하고 스위칭 속도를 정량적으로 측정했다는 점에서 큰 의의가 있다”라고 전했다.

▶ 논문제목: Operando electron microscopy investigation of polar domain dynamics in twisted van der Waals homobilayers

▶ 교신저자: 유효빈(서강대), 양상모(서강대), Philip Kim(하버드대학교)

▶ 공동제1저자: 고가현 석사과정(서강대), 육아영 석사(서강대, 2023년 2월 석사학위 취득), Rebecca Engelke 박사(하버드대학교)

▶ 논문링크: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01595-0

* 자료 제공 : 서강대학교

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