절연체가 금속으로 변하는 신원리 해명

동북대학 원자분자 재료과학 고등연구 기구의 왕 중장(王　中長)조교, 이쿠하라 유우이치(幾原 雄一)교수(도쿄 대학 교수 겸임), 및 카와사키 마사시(川崎 雅司)교수 등의 연구 그룹은 고품질 산화물 박막에서「전기가 흘러가기 힘든 절연체 상태에서 흘러가기 쉬운 금속 상태(고도전성)로의 천이(遷移) 기구」를 해명하였습니다. 이것은 차세대 투명 산화물 소자의 개발이나 고성능화로 이어질 성과입니다.
재료에 있어 전기가 흘러가기 쉬운 성질(도전성)은「전기를 흘러 보내는 담당(전도 캐리어)(주1)이 물질중에 얼마나 포함되어 있는가」나「전도 캐리어가 얼마나 원활하게 활동하는가」에 의해 결정됩니다. 즉, 전도 캐리어의 농도를 짙게하거나, 재료 가운데에 전도 캐리어의 움직임을 방해하는 원인이 되는 원자 배열의 흐트러짐(뒤틀림이나 결함)을 줄이거나 하면, 전기는 보다 잘 흐르게 됩니다. 이 도전성 제어는 컴퓨터나 휴대 전화에 사용되는 반도체 소자에 있어서도 중요한 기술이 되고 있습니다.
본 연구에서는 인공 보석으로 알려진 티탄산 스트론튬(SrTiO3)(주 2)의 절연체를 이용하였습니다. 이번에 전도 전자를 만들어 내는 캐리어 공급층을 SrTiO3절연체 사이에 끼워 넣은「절연체층/캐리어 공급층/절연체층」의 층상 계면구조를 가진 고품질 초격자 구조(주 3)를 제작해 절연 체층의 부피를 증가시키면 반대로 전기가 흘러가기 쉬운 금속 상태가 되는 현상(도전화)을 발견했습니다. 최신의 전자 현미경 기술을 이용한 원자 구조 해석과 전자 상태의 이론 계산을 구사해서「절연체를 증가시키면 계면에서 결정의 뒤틀림이 적어져 고도전화하는 것」을 해명하였습니다. 본 성과에 의해, 환경 조화한 투명 산화물 재료에 대해 도전성 제어의 수법을 새롭게 확립하는 것이 가능하며, 초전도 소자나 열전 변환 소자의 개발에의 공헌을 기대할 수 있습니다.
본 연구 성과는 동북대학 금속 재료 연구소와의 공동 연구로 실시되어 11월 2일(영국 시간)에 영국 과학지「Nature Communications」의 온라인판에 게재 됩니다.

상세(발표문 본문)


[문의처]

츠키모토 스스무(着本　享)
동북대학 원자분자 재료과학 고등연구 기구 강사
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Tel: 022-217-5934　Fax: 022-217-5932
E-mail: tsukimoto*wpi-aimr.tohoku.ac.jp(*를 @로 바꿔 주시기 바랍니다)

이쿠하라 유우이치(幾原　雄一)
동북대학 원자분자 재료과학 고등연구 기구 교수
(도쿄대학 대학원 공학계 연구과 종합 연구기구 교수 겸임)
주소: 〒980-8577 宮城県仙台市青葉区片平2−1−1
Tel: 03-5841-7688　Fax: 03-5841-7694
E-mail: ikuhara*sigma.t.u-tokyo.ac.jp(*를 @로 바꿔 주시기 바랍니다)

카와사키 마사시(川崎　雅司)
동북대학 원자분자 재료과학 고등연구 기구 교수
주소: 〒980-8577 宮城県仙台市青葉区片平2−1−1
Tel: 022-215-2085　Fax: 022-215-2086
E-mail: kawasaki*imr.tohoku.ac.jp(*를 @로 바꿔 주시기 바랍니다)