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비스무트 박막이 반도체로 바뀌는 ....

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일본의 도쿄공업대학 대학원 이공학연구과의 연구팀은 도쿄 대학, 자연과학 연구기구 분자과학연구소의 연구팀 등과 공동으로 준금속인 비스무트를 박막으로 하면 그 전기적 성질을 반도체로 바꿀 수 있다는 것을 실증했다. 

고품질의 비스무트 박막을 제작하여, 분자 과학 연구소의 방사광 시설 UVSOR에서 편광 가변 각도 분해 광전자 분광 측정을 실시하여 비스무트 박막이 반도체가 되어 있는 것을 확인했다. 또한, 이론적으로는 예상되지 않았던 표면과 표면의 전자가 관계한 새로운 현상도 발견했다. 이들의 성과로 차세대 고속 전자 디바이스 개발에 새로운 길을 개척할 수 있을 것으로 기대된다. 

비스무트는 최근 활발하게 연구되고 있는 그래핀 등과 마찬가지로, 실리콘 등의 반도체 중 전자보다 고속으로 이동할 수 있는 디랙 전자를 가지고 있다. 그러나, 이 디랙 전자를 장치 응용하는 데는 에너지 갭이 열린 반도체에서 하는 것이 필요하게 된다. 1960년대에 이미 비스무트를 박막화함으로써 반도체화하는 것이 이론적으로 예상됐지만 그동안 실험적으로는 뚜렷한 결론은 나오지 않았다. 

본 연구 성과는 9월 3일 미국 물리학 회지 "Physical Review Letters"에서 공개됐다. 

이번 연구는 양자 크기 효과를 이용하여 비스무트의 전기적 성질을 제어할 수 있다는 것을 명확하게 나타낸 것이다. 그리고, 두께가 10nm 이하의 얇은 박막 표면 및 계면에 존재하는 전자가 물질 내부 전자의 성질에 큰 영향을 미치고 있는 것으로 나타났다. 

향후에는 비스무트 내부의 높은 이동성을 가진 디랙 전자를 이용한 고속 장치의 개발, 또한 비스무트의 표면이나 계면에 존재하는 전자를 이용한 얇은 나노 소자 개발하는 응용 연구로 진전될 것으로 기대된다. 

고속으로 동작하는 기기의 제작에는 이용하는 물질 중에서 전자 속도가 빠른(이동도가 큰) 것이 필요하다. 최근 일반적인 전자와 다른 에너지와 운동량의 분산 관계를 가진 디랙 전자가 큰 이동도를 갖춘 전자로 주목 받으며 연구가 활발히 이루어지고 있다. 예를 들면, 디랙 전자를 갖는 물질로 알려진 탄소 1개층으로 이루어진 그래핀의 전자 이동도는 실리콘의 약 10배인 15,000cm2/Vs이다. 

비스무트는 고체 내에서 디락 전자가 존재하는 것으로 나타난 최초의 물질로서, 1960년대부터 연구되어 왔다. 그래핀 연구가 활발해진 것은 2005년 이후임을 생각하면, 그 역사는 매우 오래 된 것이다. 

디바이스 동작을 위한 중요한 조건 중 하나는 그 전기적 성질이 밴드 갭을 가진 반도체인 것이다. 그러나, 위의 그래핀도 비스무트도 반금속으로 밴드 갭이 없기 때문에 어떠한 방법으로든 반도체화해야 한다. 

1967년 구소련의 이론 물리 학자 V. B. Sandomirskii는 비스무트를 30nm 정도 두께의 박막으로 만들어 양자 크기 효과를 이용함으로써 반도체로 바꿀 수 있을(반금속 반도체 전이, 그림 1)것으로 예상했다. 그러나, 오늘날까지 약 50년에 걸쳐 많은 연구가 진행됐지만, 실제 비스무트 박막으로 반금속 반도체 전이가 일어나고 있다는 명확한 실험 증거는 없었다. 

이번에 동쿄 공대의 연구 그룹은 고품질의 비스무트 박막을 만들고, 그 전기적 특성을 분자 과학 연구소의 싱크로트론 방사광 시설 UVSOR에서 측정했다. UVSOR의 편광 가변 저에너지 각도 분광 전자 분광(그림 2) 장치를 이용함으로써, 지금까지 보고 사례가 거의 없었던 비스무트 박막 내부의 전자 상태를 정밀하게 관측하는 데 성공했다. 

그 결과, 당초의 이론보다 막 두께가 두껍고, 70nm 두께의 박막으로 에너지 갭이 열리고, 반도체가 되어 있는 것을 실증했다(그림 3). 한편, 10nm 이하의 비스무트 초박막은 이론의 예상과 달리 에너지 갭이 없는 반금속인 것으로 드러났다. 이는 두께 10nm 이하에서는 표면, 계면 효과가 중요하며, 이를 고려한 새로운 이론이 필요하다는 것을 나타내고 있다.

이번 연구는 양자 사이즈 효과를 이용해 비스무트의 전기적 성질을 제어할 수 있음을 분명히 나타낸 것이다. 그리고, 두께가 10nm 이하인 얇은 박막에서는 표면, 계면에 존재하는 전자가 물질 내부의 전자 성질에 큰 영향을 미치는 것도 나타났다. 향후에는 비스무트 내부의 고속 이동군의 디랙 전자를 이용한 고속 디바이스의 개발, 또한 비스무트의 표면, 계면에 존재하는 전자를 이용한 얇은 나노 디바이스 개발이라는 응용 연구로 진전된다. 

[논문 정보] 
1) 저널명 : Physical Review Letters 
2) 논문명 : Role of Quantum and Surface-State Effects in the Bulk Fermi-Level Position of Ultrathin Bi Films 
3) 저자명 : T. Hirahara, T. Shirai, T. Hajiri, M. Matsunami, K. Tanaka, S. Kimura, S. Hasegawa, and K. Kobayashi 
4) DOI : 10.1103/PhysRevLett.115.106803 

출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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