Fig. 1. Single crystals grown in Center for Novel States of Complex Materials Research. (a) Hexaferrite.1)2) (b) Pd-intercalated Pd_xTaSe₂.4) (c) Two-dimensional materials CuCrP₂S₆.5) (d) Iron oxides CaFe₃O(PO₄)₃ (e) Iron-based superconductor NaFeAs. (f) Transition-metal Kagome-lattice material Ni₃In₂Se₂. (서울대 첨단복합물질상태 연구단에서 제작한 단결정. (a) 육방정계 철산화물 단결정,1)2) (b) Pd이 들어간 Pd_xTaSe₂,4) (c) 이차원 반데르발스 물질 CuCrP₂S₆,5) (d) 철산화물 CaFe₃O(PO₄)₃, (e) 철계 초전도체 NaFeAs, (f) 전이금속 기반 카고메 격자를 가진 Ni₃In₂Se₂)

서울대 첨단복합물질상태 연구단은 지난 20여 년 동안 다양한 방법으로 단결정을 제작하고 그 연구 성과를 꾸준히 학계에 보고해왔다. 그 중 가장 많이 사용하는 방법은 융제법(flux method)이다. 대표적으로, 육방정계 철산화물 단결정[그림 1(a)]1)2)을 Na₂O-Fe₂O₃ 용매를 이용하여 성장시키고 그 다강성을 연구하여 다수의 학술지에 그 성과를 보고하였다. 그리고 세계 최초로 철계 초전도체 Na_1-xLi_xFeAs3) 단결정을 자가융제법(Self-flux method)으로 제작하였고, Li 도핑에 따른 스핀밀도파 소멸 및 새로운 네마틱(nematic)상의 발현을 보고하였다. 이러한 일련의 성과는 서울대 첨단복합물질상태 연구단이 보유한 높은 수준의 시료 합성 기술의 결과라고 할 수 있다.

최근에는 화학증기수송법(Chemical vapor transport)을 활용하여 이차원 구조를 가진 물질들도 다수 제작하고 있다. 대표적으로 Pd 원자가 끼어들은 전이금속 찰코겐 화합물 2H-Pd_xTaSe₂ 단결정[그림 1(b)]을 합성하여4) 현재 고압 및 극저온에서의 물성 연구를 진행 중에 있다. 아울러, 동일한 방법으로 반데르발스 물질 CuCrP₂S₆의 단결정[그림 1(c)]을 합성하고, 이 물질에 제2 유형 다강성이 존재함을 세계 최초로 밝혀내 원자 층 두께의 다강체 발현 가능성을 제시하였다.5)

이외에도, 부유대역용융법(Floating-Zone method)과 브릿지만법(Bridgmann method)을 활용하여 제작이 힘든 대면적의 고품질 단결정 합성에 도전하고 있다. CaFe₃O(PO₄)₃는 복잡한 스핀 구조와 자성 상들 간의 경쟁으로 스핀에 의한 강유전 상이 예상되는 물질이다. 부유대역 용융법으로 이 물질의 단결정[그림 1(d)]을 제작하고 자기장에 의한 강유전상이 존재함을 밝혀냈다. 아울러, 브릿지만법을 이용하여, 기존에 융제법으로 제작했던 NaFeAs 단결정[그림 1(e)]을 대면적으로 제작하는 데에 성공하였다. 현재 Li이 도핑된 단결정을 제작하여 Na_1-xLi_xFeAs의 네마틱 상에 대한 후속 연구를 준비 중이다.

복합물질은 다양한 원소와 복잡한 결정 구조로 인해 단결정 합성이 쉽지 않기에, 좋은 단결정 제작을 위해서는 각 원소와 물질의 특성에 적합한 성장 기술을 활용하고 충분한 노하우가 필요하다. 서울대 첨단복합물질상태 연구단은 지금까지 쌓아 온 시료 제작 경험과 기술을 토대로 다양한 단결정을 제작하여 학계에 보고함으로써 그 역량을 증명해 보이고 있다. 최근에는 금속-유기 결합체나 카고메 격자 구조 물질[그림 1(f)] 등 다양한 신물질 단결정 제작으로 연구 영역을 확대하고 있으며 이 물질들의 극한 환경 물성을 지속적으로 탐색할 계획이다.

Fig. 2. (a) Crystal structure of two-dimensional electrides and their optical images in single crystalline form. (b) KZnBi and the related crystals of ATmPn (A=alkali metals, Tm=transition metals, Pn=pnictogens). ((a) 2차원 전자화물 결정구조와 단정결 사진 (b) KZnBi 및 유사 결정구조를 가진 ATmPn (A=알칼리 금속, Tm=전이금속, Pn= 닉토젠) 화합물의 단결정 사진)

2차원 층상구조 물질은 구성 원소의 종류와 원소 조합에 따른 화학결합의 다양성이 풍부하여 금속성 및 초전도성뿐만 아니라 위상 물성까지 폭넓은 물성을 나타내고 있어서 최근 고체물리학 분야에서 가장 많이 연구되고 있다. 그럼에도 불구하고 아직까지 합성된 적이 없어 물성이 파악된 적이 없는 물질이 매우 많고 그중에서는 일반적인 화학결합이 아닌 특이한 결합으로 형성된 결정구조를 가진 물질이 다수 존재하여 새로운 물질 물성 연구가 가능하다. 한편으론, 기존에 연구된 물질과 비슷한 원소의 조합과 화학양론비로 구성된 물질은 결정구조와 함께 물성을 쉽게 예측할 수 있으나 그 이외의 경우에는 합성 연구, 특히 단결정 성장을 통한 정확한 물성 확인 연구가 중요하다. 이러한 관점에서 성균관대 전자활성 에너지소재 연구실에서는 융제법(flux), 대역용융법(zone melting), 브릿지만법(Bridgeman method) 등을 통해 2차원 층상구조 물질에서 원소의 종류와 상관없이 격자간 전자(interstitial electrons)에 의해 물성이 결정되는 전자화물(electride)과 그래핀처럼 평평한 벌집구조로 위상 특성을 나타낼 수 있는 대칭(symmetry) 조건을 만족하는 층상구조 화합물을 단결정으로 성장하여 양자 물성 연구를 진행하고 있다.

최근 성균관대 전자활성 에너지소재 연구실에서는 층상간의 빈 공간에 격자간 전자가 2차원 형태로 존재하면서 자기 이방성을 가진 강자성체부터 상자성체까지 격자간 전자의 국부화 정도에 따라 자기 물성이 변하는 소재를 연구하고 있다[그림 2(a)].6) 무엇보다도, 격자간전자에 의한 자기모멘트 발현으로 상자성 원소로만 구성된 반데르발스 층상구조 전자화물에서 강자성 특성이 나타나는 것이 발견되었다.7) 또한, 그래핀과 같은 평탄한 벌집구조를 가진 층상구조 물질에서 스핀-궤도 상호작용을 제어하면 3차원 위상 디랙 반금속 물질부터 일반 절연성 물질까지 다양한 물성이 나타나게 되었다[그림 2(b)].8) 특히 3차원 위상 디랙 반금속 물질은 표면에서 대칭 붕괴에 따른 초전도 특성을 나타내고 있어서 위상 초전도체로서의 가능성을 보이는 물질이고 벌집구조를 형성하는 원소들의 s와 p궤도만으로 매우 단순한 디랙 밴드를 나타내기 때문에 자장에 의한 바일 반금속으로의 전이로 나타나는 물성 연구가 매우 흥미로울 것으로 기대된다.

2차원 전자화물 단결정을 쪼개면 격자간 전자가 존재하는 층간이 표면으로 나타나고 이 표면에서는 격자간 전자가 떠 있는 상태로 존재할 수 있다. 이 격자간 전자가 표면에 노출된 상태에서 전자 농도를 제어함에 따라 비페르미액체(non-Fermi liquid) 상태 및 전자의 결정화 상태를 확인할 수 있어, 양자 영역에서의 전자상태(electron phase) 연구가 가능하다. 무엇보다도 발견된 3차원 위상 디랙 반금속 물질은 자장으로 카이럴 페르미온 관련 연구가 매우 흥미로울 것으로 예상되며 벌집구조가 다양한 원소 조합으로 가능하기 떄문에 새로운 양자 물성을 가지는 물질 성장과 물성 연구가 매우 기대된다.

Fig. 3. (a) Lifting of spin-polarized band degeneracy by rotating spin orientation with respect to the orbital angular momentum. (b) Dispersive nodal-line structure commonly found in topological van der Waals magnets. (c) Crystal structure and optical images of single crystalline nodal-line magnets. ((a) 스핀분극된 위상밴드 교차점이 오비탈과 스핀의 상대적인 방향에 따라 변화는 양상 (b) 위상마디선 전자밴드의 교차점이 에너지 분산을 갖는 경우 예 (c) 다양한 위상마디선 자성체의 격자구조와 단결정 사진)

위상 물질의 독특한 물성은 두 개의 서로 다른 대칭성을 갖는 전자 밴드(electronic band)가 교차하면서 만들어지는 밴드 교차점(band crossing point)과 그 근처에서 강하게 발현되는 베리 곡률(Berry curvature)에 의해 유도된다. 특히 위상 밴드의 특성과 자성이 동시에 발현될 때, 스핀이 분극된 밴드가 오비탈 자유도로 인해 위상 밴드 교차점을 만드는데, 이는 자기모멘트의 방향이나 구조에 따라 민감하게 변한다[그림 3(a)]. 이와 같은 위상밴드와 자성의 결합을 이용하면 기존 자기전도현상의 세기를 획기적으로 높이거나 새로운 자기전도현상을 유도할 것으로 기대된다. 보통의 위상 자성물질에서는 위상학적인 밴드 외에 보통의 전자 밴드가 페르미 준위에 공존하는 경우가 많기 때문에, 페르미면의 일부분만이 위상밴드에 의한 기여로 형성되고, 따라서 전체 전도 특성에도 일부분만 관여하게 된다. 밴드 교차점을 갖는 위상밴드가 페르미 준위에 유일한 전자상태가 되어, 위상학적인 전자상태가 전체 물성을 지배하는 이상적인 물질 구현하는 것은 매우 도전적인 과제이다.

포항공대 양자물질 극한물성 연구실에서는 위상 자성체 중에서도 위상마디선(nodal line)을 갖는 준금속 또는 반도체 물질에 집중하여 연구를 하고 있다. 위상마디선 물질은 밴드 교차점이 역격자 공간에서 선을 따라 무수히 많이 존재하는 경우에 해당한다. 따라서 디랙/와일 준금속에 비해 위상학적인 전자상태의 밀도가 높아 위상 밴드의 효과를 크게 할 수 있을 것으로 기대된다[그림 3(b)]. 그 예로 위상마디선을 갖는 전자밴드가 페르미 준위에 걸쳐져 있는 강자성 금속인 Fe₃GeTe₂ 단결정에서, 위상마디선 근처의 강한 베리곡률현상에 의해 높은 이상홀 효과가 나타나는 것이 확인되었고,9) Fe₄GeTe₂ 단결정10)에서는 위상마디선에 의한 높은 열기전력 홀 효과도 관측되었다. 또한 최근에서는 위상마디선을 원자가 전자 밴드에 존재하는 자성 반도체인 Mn₃Si₂Te₆ 단결정에서, 자기모멘트 방향에 따라 매우 큰 자기저항 변화가 나타나는 것이 발견되었다.11) 이러한 연구 결과는 자성체의 스핀분극 밴드가 위상마디선 구조를 가지면서 물성을 결정할 때, 기존의 자성체와 다른 독특한 자기전도특성을 가질 수 있음을 의미한다[그림 3(c)].

위상마디선 전자밴드는 삼각 또는 육각격자를 모티브로 삼는 결정구조에서 공통적으로 발현되기 때문에, 많은 자성체에서 발견될 것으로 기대된다. 앞서 언급한 연구 결과를 바탕으로 향후 새로운 위상마디선 자성체 발견 연구를 계속 수행할 예정이다. 이러한 연구를 통해 새롭게 발견되는 위상자성체 신물질은 자성체 내에서 전자의 거동에 대한 물리적인 이해를 높임과 동시에 스핀을 정보의 매게체로 삼는 스핀트로닉스 연구에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 4. The atomic structure of Fe₅Sn₃ and single crystals grown in the Novel Quantum Materials Laboratory at DGIST. (Fe₅Sn₃의 원자구조와 DGIST 재미있는 양자물질 연구실에서 성장한 단결정)

자기장 속에서 전하의 운동은 전하운반자의 밀도, 전하운반자의 종류뿐만 아니라, 전하운반자를 포함하는 물질의 자성, 전자구조에 대한 정보를 준다. 특히 위상물질의 발견과 스핀트로닉스로의 응용가능성으로 자기 수송은 많은 연구자의 관심을 받고 있다. DGIST 재미있는 양자물질 연구실에서는 금속간(intermetallic) 단결정을 이용해 위상물질과 자성체, 초전도체를 비롯한 양자물질에서 자기저항, 홀효과 등 자기수송의 특성을 연구하고 있다. 자성 카고메 물질인 Fe₃Sn₂,12) FeSn, Mn₃Sn 등을 이용하여 위상물질의 특성이 자기수송에서 어떻게 나타나는지 탐구하고, Fe₅Sn₃13)을 포함한 전위금속-주석 이원화합물 단결정을 이용하여 강자성체, 반자성체, 양자임계점, 상자성체, 도체 등 연속적으로 자성이 변하는 물질에서 물질의 자성이 자기수송에 주는 영향을 체계적으로 탐구하고 있다[그림 4]. 특히 자성이 원거리에서 배열하기 시작하는 양자임계점에서 전자가 페르미 이론을 따르지 않을 때 자기수송이 어떻게 진행하는지 이해하기 위해 노력하고 있다.

최근 DGIST 재미있는 양자물질 연구실에서는 육방정계 Fe₅Sn₃에서 잔류저항비(RRR)가 10 이하인 단결정들과 1000 이상인 단결정들을 발견하고, 잔류저항비가 달라짐에 따라 자기수송이 크게 영향을 받는 것을 확인하였다. 특히 잔류저항비가 1000 이상인 단결정에서 자기저항값이 100,000% 만큼 증가하는 것과 도체-부도체 전이를 발견했다. Fe₅Sn₃에서의 특이한 자기수송은 Fe 원자의 vacancy가 정렬하여 원자구조가 육방정계에서 사방정계로 변하여 만들어진 전자구조의 변화 때문인지, 삼각격자로 배열된 Fe 원자들의 스핀상호작용으로 인한 것인지 더 깊은 연구가 필요하다. 이 연구는 같은 원자구조를 가지고 있지만 자기 특성이 다른 시스템을 구현하므로 가능해진다. 본 연구실은 Fe₅Sn₃과 같은 구조를 가지고 있지만 자성이 다른 Mn₂Sn, Co₃Sn₂, Ni₃Sn₂ 등을 성공적으로 합성하여 자성이 연속적으로 변하는 물질에서 자기수송을 연구할 수 있는 기반을 놓았다. 특히 Co₃Sn₂은 양자임계점 근처에서 자기수송이 Cu₆Sn₅과 같은 일반 금속이나 Fe₅Sn₃과 같은 강자성체와는 어떻게 다른지 설명해줄 수 있을 것이다.14)

DGIST 재미있는 양자물질 연구실은 2020년 3월 연구실을 연 이래로 다양한 양자물질을 단결정으로 합성하고 그 성질을 탐구하고 있다. Fe₅Sn₃과 관련 물질들을 통해, 같은 구조를 갖지만 다양한 자성을 가진 물질군에 대한 자기수송을 연구하고, 이 과정에서 Mn₂Sn, Co₃Sn₂과 Cu₆Sn₅를 새롭게 단결정으로 합성하여 그 물리적 성질을 밝힐 예정이다. 이와 함께 자성 카고메 물질인 Fe₃Sn₂, FeSn, Mn₃Sn 등과 평평한 에너지 밴드물질인 CoSn을 합성하여 STM이나 MFM 등 미시적 도구를 사용하는 실험실과 같이 공동 연구를 진행하고 있다. 또한 2차원 물질로 layer의 두께에 따라 띠틈의 크기가 변하는 PdSe₂와 PtSe₂ 그리고 2차원 초전도체 NbSe₂ 등을 단결정으로 합성하여 공동연구를 진행하고 있다.

Fig. 5. (a) Prevalent perovskite oxide substrates and their pseudo-cubic lattice constants. (b) A newly discovered quasi-one-dimensional magnet NiTe₂O₅ single crystal and the magnetic structure determined by single-crystal neutron scattering experiments. ((a) 페로브스카이트 산화물 기판들과 유사-입방체 격자상수. (b)  발굴한 준1차원 자성체 NiTe₂O₅ 단결정과 단결정 중성자 산란실험으로 밝힌 자기구조)

조작성과 다양성을 겸비한 이종구조와 저차원 구조에서 나타나는 물성 연구는 창발현상의 양자역학적 근원의 이해, 물질의 기능성 향상, 숨겨진 새로운 기저상태를 찾는 데 필요한 획기적인 방법들을 제시한다. 특히, 산화물 이종구조는 초전도체/강유전체의 상전이 온도를 높이고, 양자 상유전체를 상온 강유전체로 변형시킬 수 있으며, 새로운 위상 상태를 유도하는 등의 방법으로 많이 활용된다. 이러한 이종구조를 구현하는 데 단결정 기판은 그 위에 올려지는 박막의 물리적 성질을 결정하는 중요한 근간이 됨에도 불구하고, 단결정 기판으로 활용되는 소재와 구조적 특성은 특정 영역에 제한되어 있다.

울산과학기술원(UNIST) 강상관 양자물질 연구실에서는 기판에서 요구되는 수준의 고순도·고품질 단결정 성장기술을 바탕으로 단결정 형태의 새로운 기능성/양자 산화물을 발굴하는 연구를 하고 있다. 최근 페로브스카이트 입방체 BaZrO₃와 준1차원 자성체인 NiTe₂O₅를 새롭게 발굴하였다. 격자상수가 4.189 Å인 BaZrO₃는 기존 페로브스카이트 산화물 기판 대비 압도적 크기의 단위격자를 가진다[그림 5(a)]. 2690 ℃ 이상의 높은 녹는점과 고온에서의 화학적 불안정성은 BaZrO₃의 단결정 합성을 어렵게 하는 주요 원인인데, 성장기술 개발을 통하여 기판 활용에서 요구되는 고순도·고품질 단결정을 성장하였다.15) 울산대 물리학과 김태헌 교수 연구팀과의 공동연구로 BaZrO₃ 위에 BaTiO₃ 에피박막을 성공적으로 성장하여, 등방 인장 변형이 BaTiO₃에 가해지면 Pmm2 사방정계인 새로운 강유전상이 유도되는 것을 발견하였다. 더욱 흥미로운 점은 이러한 새로운 강유전상이 면내 삼극상태(ternary in-plane polar states)를 띤다는 것인데, 이 연구결과는 BaZrO₃ 기판의 입방구조로 BaTiO₃에 가해진 등방적 4회 대칭 변형과 격자 내 초미량 점결함 분극의 상호작용이 다중 자유도 특성을 유발한다는 것을 의미한다.16)

2019년 발굴한 준1차원 자성체 NiTe₂O₅는 중성자 산란17)과 핵자기공명18) 실험을 통하여, S=1 Ni²⁺의 반강자성 질서변수가 상전이 온도(T_N=30.5 K) 아래에서 기존의 보편성 부류와 전혀 다른 이상 멱법칙을 따르고, T_N 위에서는 상온까지 사라지지 않고 남아있는 강력한 스핀 요동을 관찰하였다[그림 5(b)]. 이 연구결과는 상온 수준의 높은 열적 여기보다도 강력한 미지의 스핀 상호작용이 존재함을 의미한다.

BaZrO₃ 격자상수 4.189Å은 기존 기판들 대비 압도적 크기이다. BaZrO₃의 이러한 구조적 독보성은 기존 기판들과의 격자상수 부정합으로 이종구조 구현이 어려웠던 수많은 페로브스카이트 소재들의 이종구조 구현이 가능해졌다는 것을 의미한다. 따라서, 새로운 종류의 이종구조 개발과 미지의 물리현상을 발견하게 될 것으로 기대된다. 준1차원 자성체 NiTe₂O₅에 대해서는 아직까지 이해되지 않은 자기 기저상태를 이해하기 위하여 스핀 동역학 연구를 진행할 계획이다. 이를 통해 NiTe₂O₅에서 진기한 스핀 동역학 현상을 발견할 것으로 기대하고 있다.

Fig. 6. Examples of single crystals with exotic structures grown in the Quantum Materials Lab at Pusan National University. (부산대학교 양자물질 연구실에서 제작한 특이 구조 단결정)

고체의 결정구조는 물성과 밀접한 연관이 있다. 대표적으로 비-시모픽(nonsymorphic) 구조는 위상학적 밴드를 보호할 수 있으며,19) 준1차원 결정구조는 밀도파 형성에 기여할 수 있다. 따라서, 특이 구조를 가지는 물질을 합성함으로써 독특한 양자현상에 접근할 수 있으며, 더 나아가 특이 구조 물질을 잘 이해함으로써 원하는 물성을 설계할 수 있다. 결정 구조에서 발현되는 강상관 및 위상 현상을 활용한다면 강상관 현상과 위상 현상이 공존하는 양자물질에 대한 설계가 가능할 것이며, 새로운 양자현상에 대한 접근도 가능해질 것이다. 하지만, 특이 구조를 가지는 물질은 상대적으로 결정성장이 어려워 특이 구조 단결정 성장에 대한 이해를 높여가는 것은 현재 매우 도전적인 과제이다.

부산대학교 양자물질 연구실에서는 층상구조, 준1차원 구조, 카고메구조 등 특히 구조를 가지는 물질을 단결정으로 성장시키고, 특이 물성을 발현/발견하는 것을 목표로 하는 연구를 수행하고 있다[그림 6]. 이종층상구조를 가지는 Sr₂VO₃FeAs20)와 PdCrO₂21) 단결정에서 층간의 결합으로 발현되는 물리현상들을 관측하는 데 성공하였으며, 반데르발스 물질인 FeSe 단결정에서 발현되는 독특한 초전도 현상을 연구하였다.22) 최근에는 준1차원 결정구조를 가져 전하밀도파가 형성될 것으로 예상되는 BaRuO₃와 카고메 구조로 인한 플랫밴드가 나타날 수 있는 Ni₃Sn에 대한 단결정 성장을 시도하고 있다.

본 연구실에서는 융제법(flux method), 화학증기수송법(chemical vapor transpot) 외에 단결정의 대면적 성장을 위한 초크랄스키법(czochralski method)을 활용한 결정성장을 시도하고 있다. 또한, 기존의 초크랄스키법이 작동하는 온도 범위보다 고온에서 성장할 수 있는 물질들을 합성하기 위해 아크융해법을 적용한 초크랄스키를 시도하고 있다. 대면적으로 성장된 단결정을 박막 성장을 위한 기판으로 활용하여 다양한 이종층상구조를 가지는 양자물질을 합성할 계획이다.

Fig. 7. Various single crystalline samples synthesized from Transcendent Functional Materials Lab. in Kunsan National University. (군산대 초월 기능성 연구실에서 성장한 다양한 단결정 소재들)

불순물 주입 도핑은 전통적인 실리콘 반도체 전자재료에서부터 최근 디스플레이/에너지 소자의 핵심 부품 소재인 산화물 반도체에까지, 반도체 재료 물성 제어의 핵심적인 기술 중 하나이다. 동일한 모조성의 소재 내에서의 물성 제어 연구는, 추후 고품질의 동종접합(homojunction) 계면을 형성할 수 있는 근본적인 방법론을 제시한다는 측면에서 그 중요성이 매우 높지만, 최근 많이 연구되어 오고 있는 이차원 소재 및 강상관계 산화물 소재군에서의 불순물 주입 도핑 연구는 현재까지도 그 시도가 많지 않으며, 그러한 불순물 주입된 소재의 단결정 성장 및 고유 물성(intrinsic property) 규명도 요구되는 상황이다. 군산대 초월 기능성 소재 연구실은 전통적인 치환 조성 설계가 가능한 소재군 및 조성군을 탐색하고, 이의 합성 및 단결정 성장을 통해 물성 발현 원리를 규명하는 연구를 수행하고 있다[그림 7].

군산대 초월 기능성 연구실에서는 할로겐 원소 치환을 통한 SnSe₂ 이차원 반도체의 반도체/금속 전도 전이를 세계 최초로 보고한 바 있으며, 이러한 소재의 단결정 성장 및 물성 분석을 통한 순수 재료 물리 연구 성과뿐만 아니라, 여러 재료공학 분야 전문가 그룹과의 공동연구를 통해, 다양한 분야로의 응용 소자화 가능성 역시 탐색/보고해 오고 있다.23)24)25) 최근에는 5각형 대칭성(pentagonal symmetry)의 PdSe₂ 이차원 반도체의 음이온 치환 도핑을 통한 밴드 변조(band modulation) 가능성 및 층간 결합력 제어 연구를 진행 중이며, 가속기 연구진과의 공동연구를 통한 기초물성 연구성과뿐만 아니라, 차세대 양극성 소자(ambipolar device)로의 응용 연구성과 역시 보고해 오고 있다.26)27)

군산대 초월 기능성 연구실은 이차원 소재군뿐만 아니라, 현재까지 전기반응성(electro-activity)이 부재하였던 강상관계 산화물의 조성 설계/제어를 통한 응용소재/소자화 연구를 기획하여 한국연구재단 기초연구실 사업(BRL) 및 삼성전자 삼성미래기술육성사업의 지원으로 진행하고 있으며, 발굴 소재의 단결정 성장을 통한 다양한 기초/응용 물성 연구를 진행하고자 한다.

Fig. 8. In₄Se_3-x crystal ingot grown by a Bridgman method. (브릿지만법으로 성장시킨 In₄Se_3-x 단결정)

경희대 에너지소재 양자물성 연구실은 열전소재, 자성체, 디랙 및 바일 준금속 위상물질, 고엔트로피 합금 초전도 연구를 수행하고 있다. 열전소재는 열을 전기로 변환시키거나 전기를 이용해 고체냉각에 활용하는 열-전기 에너지 변환 소재이다. 열전소재의 대표적인 물질인 Bi₂Te₃, PbTe, SnTe 등은 위상부도체 등으로도 잘 알려져 있다. 열전소재와 위상소재와의 연관성은 무거운 원소를 기반으로 하고 있다는 점인데, 열전소재는 무거운 원소에 의한 저에너지 음향 포논 산란을, 위상소재는 강한 스핀-궤도 상호작용을 특징으로 하고 있다.

경희대 에너지소재 양자물성 연구실에서는 열전소재의 다결정 소재 연구를 선행하고, 다결정에서 흥미로운 물리현상이 발견되면 단결정으로 제작하여 저온 고자장에서 양자물성을 연구하는 것이 보통이다[그림 8]. 단결정은 결정 방위가 한 방향으로 정렬되므로, 전류와 자기장의 방향에 따른 이방성을 측정할 수 있으며, 또한 시료의 품질이 우수한 경우 전하의 완화시간이 커져서 양자진동 효과 등으로부터 물질의 위상학적 특성도 연구할 수 있게 된다.

경희대 에너지소재 양자물성 연구실에서는 희토류 칼코겐, 희토류 보라이드, 그리고 각종 열전소재 화합물의 전기 자기적 물성을 연구해왔다. GdB₄ 단결정에서는 자기장에 의해 발생되는 바일 준금속 특성을 이론적, 실험적으로 증명하였다.28) GdB₄는 Shastry-Sutherland 격자의 스핀구조를 갖는데, ab 평면에서 비선형적(non-collinear)을 향해있는 자기구조가 외부 자기장이 가해지면, 스핀이 c축 방향으로 향하면서 밴드 중첩의 갈라짐으로 인해 바일 밴드가 형성된다. 단결정이 아니고는 이렇게 방향에 따른 스핀구조의 양자물성을 관찰할 수는 없는 일이다. EuBiTe₃ 단결정에서는 자기 폴라론의 국소화가 나타나는데, 이 자기 폴라론은 고온에서 Efros-Shklovskii형 가변거리 호핑(variable range hopping)에서 저온으로 가면 Mott형 호핑으로 국소화 전도 메커니즘이 변한다.29)

또한 칼코겐 열전소재 중에 하나인 InTe_1-δ에서 전하밀도파와 온도에 의한 Lifshitz 상전이를 발견하였다.30) 일반적으로 Lifshitz 상전이는 압력 등에 의해 많이 관찰되는데, 온도에 의한 Lifshitz 상전이는 드문 현상이다. 열전소재는 많은 경우 포논이 부드러운데(soft phonon), 부드러운 포논은 그루나이젠 인자(Gruneisen parameter)가 크고 이에 따라 온도에 대한 열팽창이 커서 온도에 따라 밴드 구조를 변화시킨다.

경희대 에너지소재 양자물성 연구실은 다결정 및 복합체 열전소재의 고효율 열전물성에 관한 연구를 주요 연구주제로 삼고 있지만, 최근에는 다양한 바일 준금속 물질로 연구영역을 넓히고 있다. 현재 디랙 및 바일 준금속으로써 Co₃Sn₂S₂, ZrTe₅, Bi_1-xSb_x, MnBi₂Te₄ 등의 단결정을 브릿지만법 및 융제법(flux method)으로 성장시켜 디랙/바일 준금속에서의 비선형적 전자기 특성에 대한 연구를 한국연구재단 기초연구실(BRL)의 지원을 받아 수행하고 있다. 또한 디랙/바일 준금속의 네른스트 효과(Nernst effect), 포논 홀 효과(Phonon Hall effect), 이상 홀 효과(Anomalous Hall effect) 등의 열-전기 물성의 이상 현상에 대한 연구도 진행하고자 한다.

Fig. 11. Photos of crystals grown in the Topological Quantum Matter Lab at SKKU. (성균관대학교 위상양자물성 연구실에서 제작한 단결정)

란다우의 대칭성 붕괴이론인 국소 질서 매개변수로 기술되지 않는 새로운 물질의 상태와 상전이가 존재한다. 스핀계에서는 스핀액체가 위상질서의 대표적인 예이다. 키타예프 상호작용력으로 결합한 스핀 S=1/2 벌집격자는 위상적 스핀액상과 마요라나 페르미온 준입자를 가진다. 반면에, 기하학적으로 쩔쩔매는 카고메 반자성체는 Z₂, Z₃, 혹은 U(1) 스핀액체를 기저상태로 가질 것으로 예측된다. 스핀액상에서 발현하는 분수화된 준입자, 장거리 위상 질서, 및 게이지 구조의 본질을 밝히고, 스핀액상에 도핑을 하거나 근접효과를 이용해 위상 초전도체, 애니온, 분수화된 천(Chern) 절연체와 같은 새로운 물질의 상태를 구현하기 위해 단결정 연구가 필수적이다.

성균관대학교 위상양자물성 연구실에서는 2차원 삼각형, 카고메, 하이퍼카고메, 부동 파이로클로(breathing pyrochlore), 및 키타예프 스핀계 물질의 단결정을 합성하고 새롭게 창발하는 자성물성을 발견하고자 연구를 수행 중이다[그림 11]. 융제법(flux method), 화학증기수송법(chemical vapor transpot), 수열(hydrothermal) 합성법을 이용해 결정성장을 시도하고 있다.

최근 5년간 주요한 연구주제는 다음과 같다. 비등방 삼각형 반자성체 Ca₃ReO₅Cl₂37)에 대한 스핀논의 통계와 동역학의 연구를 통해 보존 스핀논과 트리플론(triplon)의 여기를 관측했다. 키타예프 스핀계 물질 α-RuCl₃와 Na₂Co₂TeO₆에서 스핀의 분수화로 생겨나는 마요라나 준입자 및 자기장을 인가하여 발현하는 스핀액체상태와 마요라나 속박상태를 발견했다.38) 부동 파이로클로(breathing pyrochlore) LiGa_1-xIn_xCr₄O₈ 물질에 스핀 동역학의 열적 및 시간적 dichotomy 현상을 관측했다.39) S=1/2 카고메 반자성체 YCu₃(OH)₆Br₂[Br_x(OH)_1‒x]에서 양자스핀액상 기저상태에 대한 실험적 증거와 1/9-자화 플래토를 발견했다.40)

향후 5년간 본 연구실은 S=1/2 카고메의 양자 스핀액체에서 시작하여 스핀수를 점차 증가시켜 고전 스핀액체로 전이해 가는 과정을 규명할 계획이다. 그리고, S=1/2 카고메 반자성체 YCu₃(OH)₆Br₂[Br_x(OH)_1‒x]에서 1/9-자화 플래토에서 이론적으로 예견된 Z₃ 스핀액체의 존재를 밝히고, 자기장으로 유도되는 Z₂에서 Z₃ 스핀액체로의 양자상전이를 연구한다.

마지막으로 키타예프 스핀계와 초전도의 이종구조를 만들어 쿠퍼쌍과 마요라나 준입자의 상호작용으로 생겨나는 새로운 물리현상을 찾아낼 것이고, 쿠퍼쌍의 전도 채널을 이용해 마요라나 준입자를 탐침하고 제어하는 시도를 수행할 예정이다.