염 교수팀은 과학기술부의 지원을 받는 창의적연구진흥사업의 일환으로 나노소자 및 미래의 분자소자 등에 응용이 가능한 단일 원자 폭을 가지는 금속원자선을 실리콘 기판 위에 제작하는 기술을 확보하였으며 이들 금속원자선의 전자물성을 세계최초로 밝히는 선구적인 연구업적을 이룩했다.
이번에 연구된 금속원자선이란 물질로서 가능한 최소한의 폭, 즉 원자 한 개의 폭을 지니는 새로운 형태의 극한적인 물질계이다.
이것은 궁극적으로 한 개의 분자 또는 원자를 조작하여 소자를 만들고자 하는 나노 과학의 꿈에 가까이 다가가는 물질계로서, 1999년 당시 동경대 조수 염한웅, 스위스 바젤대학 베어 교수 등이 최초로 제안한 이래 세계 각국에서 활발히 연구가 진행되고 있다.
기존의 연구가 이러한 극한 물질계의 금속원자선의 성장과 구조연구에 집중되어온 반면, 염 교수팀의 최근 연구는 응용가능성을 가늠할 중요한 잣대가 되는 금속원자선 내부의 전자의 성질에 주목하여 왔으며, 특히 금속원자선의 전도성이 저온에서 불안정해지는 특이한 상전이 현상을 세계최초로 발견하는데 성공했다.
이번에 발견된 금속원자선의 특이한 상전이는 원자선이라는 새로운 형태의 극한 물질계의 특성을 분명히 보여줌으로서 원자선의 전자물성이라는 새로운 연구 분야를 개척한 연구업적으로서 세계적으로 평가받고 있다.
염 교수는 이번 연구에서는 지난 10여년간의 연구를 통하여 축적한 노하우를 바탕으로 실리콘이라는 상용화 가능성이 높은 반도체 기판을 특수하게 가공, 원자단위로 규칙적으로 배열된 단차면을 만들고 이러한 ‘단차기판’ 위에 금 원자들을 미량 증착, 금과 실리콘 원자들로 구성된 원자선 배열을 만들 수 있었다.
이러한 원자선배열을 고분해능의 현미경과 분광장치로 연구한 결과 원자선 배열이 실온에서 금속적인 성질을 지니나 일정 온도 이하에서 상전이를 일으켜, 일차원계 고유의 특수한 절연체가 됨을 발견했다.
금속-비금속 상전이는 일차원금속계에서 이론적으로 예측되는 특이 전자물성으로 2003년 노벨상을 수상한 유기도체 등에서 발견된 바가 있다.
그림. 실리콘 단차면에 형성된 금-실리콘 원자선배열의 (a) 실온과 (b) 40 K 에서의 주사터널현미경 사진. 상전이에 의해서 변형된 저온의 구조가 선명히 보인다.
이 결과는 반도체기판위에 성장시킬 수 있는 원자선이라는 신물질계가 진정 흥미로운 일차원전자물성(여기서는 금속상의 불안정성과 이에 따른 금속-비금속상전이)을 보일 수 있다는 점을 세계최초로 보여준 일련의 중요한 연구업적으로서, 원자선의 일차원전자물성이라는 새로운 분야를 개척한 연구로 평가 받고 있다.
염 교수는 이러한 금속나노선의 연구에서 이미 국제적으로 연구리더의 위치를 확보하고 있다.
또한 일련의 선구적 업적을 물리학분야 세계최고 권위지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 10여 편 발표하였으며 미국과 일본의 물리학회를 포함한 각종 중요 국제학회의 초청을 받아 연구결과를 발표했다.
이와 같은 연구업적으로 우리나라도 나노과학의 기초분야에서 세계적인 연구성과와 연구능력을 보유한 선도적인 연구진을 확보하게 됐다.
특히 염 교수팀이 연구하는 금속원자선이 반도체산업에서 가장 중요한 실리콘 기판을 사용하고 있다는 점에서 실용 가능한 원자·분자 소자의 개발에도 한 걸음 더 다가가는 계기가 되었다.
실제로 염 교수 팀은 실리콘 반도체 공정에 직접 사용이 가능한 세계최소 선폭의 (2나노미터) 도선을 개발하여 이를 지난해 11월에 발표한 바 있다.
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