포스텍, 산화물 결정 층 비틀어 전자 움직임 조절 규명

포스텍·위스콘신대·도쿄대 연구, 국제 학술지에 게재

[포항=뉴시스] 송종욱 기자 = 포스텍·위스콘신대·도쿄대 공동 연구팀이 산화물 결정 두 층을 비틀어 쌓기만 해도 원자 배열 자체가 전자 움직임을 조절하는 것을 규명했다. 사진은 포스텍은 신소재공학과·반도체공학과 최시영 교수(왼쪽)와 신소재공학과 통합 과정 김민수씨. (사진=포스텍 제공) 2026.01.16. [email protected]

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 포스텍은 신소재공학과·반도체공학과 최시영 교수 연구팀과 미국 위스콘신대 매디슨의 창범 엄 교수·이경준 박사후연구원, 일본 도쿄대 료 이시카와 교수가 산화물 결정 두 층을 비틀어 쌓기만 해도 원자 배열 자체가 전자 움직임을 조절하는 것을 규명했다고 16일 밝혔다.

이번 연구는 최근 국제 학술지 'ACS 나노(ACS Nano)' 표지 논문에 게재했다.

연구의 핵심 개념은 모아레 무늬(2개의 주기적인 구조가 어긋나 겹치는 패턴)다.
 
벌집 모양의 2개의 격자를 겹쳐 한쪽을 살짝 회전하면 애초의 다른 큰 주기의 무늬가 새롭게 나타난다.
 
다만 이러한 뒤틀린 이중 층(뒤틀림 각도를 주어 쌓인 결정 시스템) 구조 연구는 그간 그래핀 같은 2차원 소재에서 주로 이뤄졌다.

산화물은 단단한 3차원 결정이라 뒤틀린 계면을 만들기 어렵고, 계면만 골라서 분석하기도 까다로웠다.

연구팀은 이 두 결정을 특정 각도로 맞췄을 때, 원자가 주기적으로 일치하는 겹침 자리 격자(CSL) 조건을 활용해 이 문제를 해결했다.

[포항=뉴시스] 송종욱 기자 = 포스텍·위스콘신대·도쿄대 공동 연구팀이 산화물 결정 두 층을 비틀어 쌓기만 해도 원자 배열 자체가 전자 움직임을 조절하는 것을 규명했다. 사진은 뒤틀린 스트론튬 타이타네이트(SrTiO3) 이중 층 계면에서 원자 배열에 따른 전하 불균형 그림. (사진=포스텍 제공) 2026.01.16. [email protected]

이 방식을 스트론튬 타이타네이트(SrTiO₃) 산화물 결정에 적용한 결과, 뒤틀린 산화물 계면에 4가지 서로 다른 원자 배열이 반복되는 모아레  초격자가 형성됐다.

더 놀라운 것은 이 배열 가운데 특정 구조에서만 전자 분포가 뚜렷하게 달라진다는 점이다.

산소 원자 6개가 타이타늄 원자를 둘러싼 산소 팔면체 구조가 미세하게 찌그러지면서 타이타늄이 결합하는 산소 개수가 달라졌다.

이는 마치 방 안 가구 배치에 따라 사람이 움직이는 동선이 달라지는 것과 같다.

원자 배치 차이로 전자가 모이거나 흩어지는 양상이 완전히 달라지는 현상으로, 연구팀은 이를 전하 불균형으로 설명했다.

이러한 전하 불균형이 실제로 어디에서, 어떻게 나타나는지 확인하기 위해 연구팀은 옹스트롬(Å·1억 분의 1센티미터) 수준으로 초점을 조절할 수 있는 심도 단층(Depth sectioning) 현미경 기법을 활용했다.

이를 통해 계면 전체에서 원자 배열과 전자 거동이 어떻게 연결되는지를 실험적으로도 규명했다.

최시영 포스텍 교수는 "뒤틀린 이중 층 연구 분야를 3차원 산화물 분야로 넓힌 중요한 성과"라며 "향후 전자소자와 기능성 소재에서 원자-전자 구조를 제어하는 데 뒤틀림 각도가 중요한 변수로 쓰일 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 교육부·과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행했다.


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