오상호 성균관대 교수와 송경 재료연구소 박사 연구팀이 전자현미경으로 전자의 분포를 관찰하는 방법을 최근 개발했다. 2차원 전자가스를 전자 홀로그래피법으로 이미징하는데 성공했다. 

스마트폰이나 컴퓨터 등 모든 전자 기기는 전자의 이동으로 작동한다. 전자의 양을 정밀하게 제어해 원하는 곳에 위치시키고, 최대한 빠르게 이동시키는 기술은 반도체 메모리 소자, 발광 다이오드(LED) 광소자의 성능과 밀접하게 연결된 핵심기술이다. 

전자를 효과적으로 조절하기 위해서는 이론적으로 예측된 전자의 분포를 시각적으로 검증·분석할 수 있는 고분해능 현미경 관찰법이 필요하다. 전자가 너무 작아 전자현미경으로도 직접 볼 수 없어서다. 오 교수는 26일 연구 계기를 묻는 질문에 “'전자를 현미경으로 관찰할 수 있을까?'라는 학문적 호기심으로 시작했다"고 말했다.

연구 대상으로 반도체와 비슷한 성질을 가진 란타늄 알루미네이트(LaAlO3)와 스트론튬 타이타네이트(SrTiO3) 접합체를 선택했다. 두 물질의 접촉면에서 2차원 전자가스가 형성되기 때문에 오랫동안 물리학자들이 연구해온 모델이다. 2차원 전자가스는 두 물질의 접촉면에 형성되는 전도성 전자 무리를 일컫는다. 

연구팀은 민감도가 매우 높은 ‘인라인(inline) 전자 홀로그래피’를 이용해 두 물질 사이에 형성된 2차원 전자가스를 시각적으로 관찰하는 방법을 개발했다. 결정 방위(원자가 결합한 각도 및 방향)에 따라 2차원 전자가스의 분포와 밀도가 미세하게 변하는 것도 관측했다. 오 교수는 “전자현미경으로 관찰하기에 신호가 약하고 여러 변수의 영향을 고려해야 하는 한계로 인해 지금껏 전자가스가 관측되지 못했으나, 모든 변수를 정확히 보정해 2차원 전자가스의 고유 특성을 분석했다”고 설명했다. 

이번 연구는 강자성, 초전도성, 금속-절연체 상전이 등 다양한 양자현상에서 비롯하는 전자 분포와 밀도 변화를 최초로 직접 관찰해 낸 것이라는 데 의의가 있다. 오 교수는 “지금까지 물리이론으로 예측해 온 표면, 접촉면 전자의 특성을 분석하는 데 활용돼 양자현상과 소자 연구를 연결하는 중요한 역할을 할 것”이라고 전망했다. 

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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