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중국과학원 허페이(合肥) 물질과학 연구원 산하 고체물리 연구소 연구팀은 2차원 강유전체(ferroelectric) 터널 접합(tunnel junction)의 양자 운송 연구에서 혁신 성과를 취득함. 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 밀도 범함수 이론(functional theory)+비(非)평형 그린 함수(green function) 방법을 이용하여 그래핀/BiP 반데르발스(Van der Waals) 이종접합 구조의 2차원 강유전체 터널 접합의 운송 특성을 계산해 냈으며, 623%의 전기 저항 비율을 실현하였음.

강유전체 터널 접합은 전기 저항 효과를 발휘하기 때문에 비휘발성 메모리(nonvolatile memory) 분야에서 중요한 응용 잠재력을 보유하고 있으며, 현재 폭넓게 연구되고 있는 부분은 금속이나 반도체를 양측 전극으로 사용하고 페로브스카이트(perovskite) 구조를 보유하고 있는 강유전체 층(ferroelectric layer)을 중심 산란 구역으로 하는 3차원 강유전체 터널 접합임. 동 유형의 터널 접합 중 양측 전극과 중심 구역 인터페이스의 전하 누적으로 인한 탈분극(depolarization) 효과로 인해 강유전체 층을 너무 얇게 제조하지 못하고 있는데 이런 상황은 3차원 강유전체 터널 접합이 디바이스 사이즈 최소화 요구를 충족시키지 못하고 있음. 2차원 재료는 자체가 원자 층 두께 밖에 안 되기 때문에 2차원 강유전체 재료 구조를 이용하여 강유전체 터널 접합을 실현하게 되면 강유전체 터널 접합 메모리의 사이즈를 극도로 감소시킬 수 있게 되며, 이런 상황은 과학연구 인원들의 많은 주목을 받고 있는 상황임. 이론연구를 실행하는 과학연구 인원들은 이미 다양한 2차원 강유전체 재료를 예측하였는데 예를 들면 Ⅶ 주족(主族) 황화물(SnS, SnSe), Ⅴ 주족 원소로 구성된 흑린 유사 구조(BiP) 및 실릴렌(silylene) 유사 구조(SbN) 등이 포함되어 있음. 과학연구 인원들은 관련 실험을 통해 이미 수직 평면 내 분극의 2차원 강유전체 재료 In2Se3을 개발한 상황이지만 2차원 강유전체 터널 접합 구조의 전기 저항 효과가 3차원 강유전체 터널 접합보다 우수한지 여부에 대해서는 한층 더 심층적인 연구를 진행해야 하는 상황임.

연구팀은 "제1원리 밀도 범함수 이론"을 비(非) 균형 그린 함수(green function) 방법과 결합하여 반데르발스(Van der Waals) 이종접합 구조(그래핀/BiP)를 보유하고 있는 2차원 강유전체 터널 접합의 운송 특성을 계산해 냈음. 또한 그 결과를 통해 왼쪽 전극의 그래핀 층에 B 원자를 도핑하고 오른쪽 전극의 흑연 층에 N 원자를 도핑하게 되면 623%의 전기 저항 비율(TER)을 취득할 수 있으며, 3차원 강유전체 터널 접합의 전기 저항 비율 수준에 도달할 수 있다는 점을 발견하였음. 과거 연구 결과에 따르면 3차원 강유전체 터널 접합의 전기 저항 비율은 약 300%~800% 범위에 있는 것으로 나타났는데 연구팀이 관련 분석을 통해 취득한 높은 전기 전항 비율은 좌우 전극이 뚜렷하게 다른 차폐 효과 및 이로 인하여 조성된 강유전체 내반(inversion) 전후 터널링 전위 장벽 높이의 중대한 변화로부터 발생하게 된다는 점을 발견하였음.

이번 연구를 통해 2차원 강유전체 재료가 2차원 강유전체 터널 접합을 실현하고 거대한 전기 저항 효과의 실현 및 강유전체 메모리 분야에서 중요한 응용 잠재력을 보유하고 있다는 점을 입증하였음.

본 연구 성과는 ‘Nanoscale’에 게재됨