기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 원자제어저차원전자계 연구단(단장 염한웅)이 모트 절연체^*의 금속-절연체 상전이^**를 이용한 초고속 나노소자 기반기술 개발에 성공했다.
상전이 조작은 차세대 메모리로 유망한 P램 제조의 핵심 기술이다.
이번에 고안된 기술은 기존보다 약 1천배 빠른 속도로 1천분의 1 수준의 미세한 범위까지 상전이가 가능해, 초고속·고집적·고용량 P램 제조의 가능성을 열었다.

연구진은 모트 절연체인 극저온상태(4.3K, 영하 268.85도)의 이황화탄탈(1T-TaS₂)에 주사터널링현미경(이하 STM, Scanning Tunneling Microscope)으로 전압펄스를 가해, 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 수준의 미세영역에 피코초(ps, picosecond, 1조 분의 1초) 반응속도로 상전이를 일으키는 데 성공했다.
이황화탄탈 모트 절연체는 광자펄스로 상전이가 가능함이 기존 연구에서 증명된 바 있으나, 전압펄스로 상전이에 성공한 것은 이번이 처음이다.

이번 연구결과는 STM 미세탐침을 활용해 전자회로 기반 고집적 나노 소자 구현의 가능성을 확인한 데 그 의의가 있다.
광자의 경우 복잡한 광학장비가 필요하고 적용 범위가 수 마이크로미터(µm, 1백만 분의 1미터)에 달해 고집적·고용량화가 힘들었다.

이번 연구를 주도한 조두희 연구위원은 “반복적인 실험에서도 이황화탄탈의 결정구조가 변하지 않았으며, 전이된 상태도 장시간 지속돼 정보기록에 용이함을 보여줬다”라며 “그렇지만 이번 경우도 극저온(4.3 K) 초고진공의 실험환경에서 성공한 것이어서, 상온에서 이황화탄탈과 같은 성질을 갖는 소재를 찾는 것이 남은 과제”라고 밝혔다.

▲ 주사터널링 현미경으로 이황화탄탈에 전압펄스를 가하기 전(上)과 후(下)의 깨진 전하밀도파

이번 연구결과는 세계 최고권위의 과학저널 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications, IF 11.470)에 1월 22일에 게재됐다.