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UNIST 에너지화학공학과 이준희 교수팀은 POSTECH 최시영 교수팀과 함께 산화하프늄에서 도메인 영역 간 경계가 폭이 좁고 안정적으로 형성되는 원리를 제시하고, 예측한 원자 배열을 전자현미경으로 직접 확인했다. 사진 왼쪽부터 이준희 교수, 이현재 박사, 파완 쿠마르 박사. UNIST 제공
차세대 메모리 소재인 산화하프늄에서 도메인 경계가 쉽게 형성되는 이유가 밝혀졌다. 도메인을 더 작고 촘촘하게 나눠 더 많은 정보를 저장하는 고밀도 메모리 소재 설계에 도움이 될 것으로 기대된다.
UNIST 에너지화학공학과 이준희 교수팀은 POSTECH 최시영 교수팀과 함께 산화하프늄에서 도메인 영역 간 경계가 폭이 좁고 안정적으로 형성되는 원리를 제시하고, 예측한 원자 배열을 전자현미경으로 직접 확인했다고 28일 밝혔다.
도메인은 소재 내부에서 전기적 극성의 방향이 같은 영역이다. 서로 반대인 두 극성 방향을 각각 0과 1에 대응시켜 정보를 저장할 수 있다. 산화하프늄을 비롯한 강유전체는 전기장을 가해 극성 방향을 바꿀 수 있으며, 전기장을 없앤 뒤에도 바뀐 방향을 유지한다. 전원이 꺼져도 정보가 남는 비휘발성 메모리 소재로 주목받는 이유다.
이번 연구에 따르면, 산화하프늄은 포논(phonon) 모드 두 개가 서로 짝을 이루는 '포논 쌍 응축' 현상 덕분에 도메인 경계를 만드는 데 추가적인 에너지가 거의 들지 않는다.
포논 모드는 원자들이 제자리에서 집단적으로 진동하는 방식으로, 일반적인 강유전체에서는 극성을 만드는 하나의 주요 포논 모드가 도메인 벽에서 약해지거나 사라진다. 반면 산화하프늄에서는 하나의 포논 모드가 약해질 때 같은 포논 밴드의 반대편에 있는 포논 모드가 함께 나타나 이를 보완하게 된다.
두 모드가 서로를 보완하면서 도메인 경계에서도 도메인 내부와 유사한 안정적인 결정 구조가 유지돼, 원자 수준으로 폭이 좁은 경계가 형성될 수 있다.
연구팀은 "쉽게 말하면 기존 강유전체에서는 서로 반대 방향을 가진 두 영역을 연결하려면 그 사이에 구조가 흐트러진 '완충지대'가 필요했는데, 산화하프늄에서는 두 종류의 원자 움직임이 서로 역할을 나눠 가지면서 이러한 완충지대를 거의 만들지 않고도 두 영역을 연결할 수 있는 셈"이라고 설명했다.
이러한 이론은 실험적으로도 뒷받침됐다. 포스텍 연구진은 원자 수준의 구조를 볼 수 있는 전자현미경(ABF-STEM)을 이용해 산화하프늄 도메인 경계의 산소 원자 배열을 직접 관찰했다. 실제로 관찰한 산소 원자가 원래 자리에서 치우친 방향과 거리는 이론 계산으로 예측한 원자 변위와 잘 일치했다.
이준희 교수는 "산화하프늄은 매우 얇은 박막 상태에서도 강유전성을 유지할 수 있고, 기존 반도체 공정과도 잘 맞아 새로운 메모리 소재로 주목받고 있다"며 "이번에 밝힌 원리를 활용하면 도메인 벽 사이의 간격을 줄이면서도 안정적인 강유전 상태를 유지할 수 있어 차세대 메모리 집적도를 높이는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.
이번 연구는 UNIST 이현재 박사와 파완 쿠마르(Pawan Kumar) 박사가 공동 제1저자로 참여했다.
연구는 미국물리학회가 발행하는 권위 학술지 피지컬 리뷰 X(Physical Review X)에 8월 18일 게재됐으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단, 산업통상부 한국산업기술진흥원 등의 지원을 받아 이뤄졌다. 김미영기자 lalala4090@
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