성균관대학교(총장 정규상) 에너지과학과 이영희 교수(IBS 나노구조물리연구단장) 연구팀은 최근 트랜지스터로서, 층상 구조 물질인 이황화몰리브덴 (Molybdenum disulfide, MoS₂)에서 나타나는 도체-부도체 상전이 (metal-insulator transition, MIT) 현상을 측정하고, 양자 상전이 (quantum phase transition)¹⁾현상으로 설명이 가능하다는 것과 두께에 따라 상전이 특성이 바뀜을 발견하였다.

오래 전부터 이론적으로 2차원 이하의 시스템에서는 부도체에서 도체로의 양자 상전이가 불가능하다고 예측되고 믿어져 왔다. 그러나 실리콘에서의 2차원 시스템에서 도체-부도체 상전이 현상이 실험적으로 1994년 발견된 이후 수많은 연구가 진행되어 왔는데, 전자사이의 상호작용이 2차원 시스템에서 도체-부도체 상전이의 요인이라는 것이 보통 통상적인 모형으로 받아들여지고 있다. 하지만 아직까지 2차원 시스템에서 도체-부도체 상전이 현상은 물리학에서 가장 풀기 어려운 난제중 하나로 남아있었다.

도체-부도체 상전이를 양자 상전이로 보는 경우, 2차원 시스템에서 도체-부도체 상전이가 전자의 상호작용에 기인한 것이라는 데에 대체적으로 동의한다. 그러나 한계차원 (marginal dimension)인 2차원에서 불순물과 상호작용의 상관관계를 명확하게 이해하는 것은 미묘하여 쉽게 이해할 수 없었다. 특히 두 효과가 비슷하게 중요한 경우는 이론적 접근이 어려울 뿐만 아니라, 실험적으로도 가용 시스템의 한계 때문에 풀 수 없는 난제에 가까웠다.

이영희 교수 연구팀은 이차원 반도체 물질은 불순물이 많은 반면, 큰 유효질량과 작은 유전율 때문에 전자간 상호작용이 크고 또 두께에 따라 두 조건이 바뀔 수 있다는 점에 착안해, 여러 두께의 이황화몰리브덴으로 불순물과 상호작용의 상관관계 및 새로운 물리 현상을 발견할 수 있을 것이란 기대감으로 실험을 수행하였다. 그 결과, 이 물질 시스템에서의 도체-부도체 상전이가 양자 상전이로 잘 설명되는 것을 확인하였으며, 다층에서처럼 전자간 상호작용이 충분히 큰 경우 불순물의 영향을 최소한으로 차폐시켜 마치 불순물이 없는 경우의 상전이처럼 작용할 수 있다는 것을 확인하였다. 반대로 단층에서는 불순물에 의해 상전이가 유도되며 따라서 다층에서 상호작용의 비대칭성에 의해서 생겨나는 비대칭적 임계지수 (critical exponent)²⁾가 단층에서는 대칭적으로 바뀌는 현상을 확인하였다.

본 연구의 심사를 맡았던 위원 중 한 명은 “이 새로운 물질에서의 2차원 도체-부도체 상전이에 대한 결과는 오랫동안 풀리지 않고 있는 문제에 대해 새로운 관심과, 다체계에서의 앤더슨 국소화 (Anderson localization)³⁾라는 매력적인 문제에 대한 관심을 다시금 불러 올 수 있을 정도로 흥미롭다”고 평가했다.

이번 연구결과는 세계 최고 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature communications, IF 12.124) 온라인 판에 영국시간으로 5월 24일에 오전 10시에 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] 온도와 수송자 밀도에 대한 도체-부도체 상전이 현상위 그림은 양자 상전이 (quantum phase transition)로서의 도체-부도체 상전이 (metal-insulator transition, MIT)를 보여주고 있다. 즉 상전이가 온도와 상관없이 수송자 밀도가 바뀌면서, 어느 특정한 임계값을 지날 때 MIT 가 유도되는 현상이다. 다시 말하면, T=0 일 때 단지 수송자 밀도를 바꿈으로써 양자 기저 상태 (quantum ground state)들 간의 상전이가 일어나는데, 상전이가 일어나는 순간의 수송자 밀도를 양자 임계점 (quantum critical point)이라고 부른다. 보통 실험은 유한한 온도에서 수행되므로 상전이가 양자 상전이라는 것을 보이기 위해서는 특별한 증거가 필요한데, 위 그림에서 보는 것처럼 온도가 올라갈수록 양자 임계점의 특징이 나타나는 영역, 즉 양자요동이 열요동 보다 중요한 영역이 넓게 나타난다. 이 영역에서는 온도에 대한 전기 전도도를 각 서로 다른 수송자 밀도들에 대하여 일정 온도 변수 (T₀)들로 온도를 다시 재 규격화 하면 (눈금 맞춤, scaling), 각 도체 영역과 부도체 영역에서 모든 점들이 하나의 연결된 선상에 놓이게 된다. 이럴 때 온도변수들은 수송자 밀도에 대하여 거듭곱 법칙 (power law)을 따르게 되고, 이때의 지수 (위 그림에서 νz)가 양자 상전이를 특징짓는데 중요한 요소가 된다. MIT 현상을 양자 상전이가 아닌 다른 종류의 상전이로 보는 견해들도 있으며, 아직까지 논쟁거리로 남아 있다.

▲ [그림2] 여러 두께에 대한 눈금 맞춤 변수 (scaling parameter) 의 부도체 (δn < 0) 와 도체 (δn > 0) 영역에서의 변화위 그림은 여러 두께의 MoS₂에 대해서 앞에서 언급한 눈금 맞춤을 통하여 각각 얻어진 눈금 맞춤 변수 (T₀)를 상대적인 수송자 밀도에 대해서 표시한 것이다. 각각 눈금 맞춤 변수가 거듭곱 법칙을 잘 따르는 특성은 이 물질에서의 MIT 가 양자 상변이일 가능성이 높다는 것을 말한다. 한 가지 특이한 점은 두께가 두꺼울수록 임계점을 중심으로 대칭적이지 않다는 것인데, 이 현상은 전통적인 이론으로는 잘 설명이 되지 않는다. 본 연구진은 도체에서의 자유 수송자에 의한 차폐효과 (screening effect), 즉 부도체와의 비대칭적인 차폐효과에서 그 원인을 찾았다. 단층으로 갈수록 그 차이가 줄어들어 점점 대칭적으로 변하는데, 이는 복층에서와는 달리 단층에서는 MIT 가 상호작용에 의해서가 아닌 불순물에 의해서 유도가 되기 때문으로 해석된다. 이러한 두께에 대한 불순물과 수송자간 상호작용의 특성변화 그리고 차폐효과와 같은 물리적 환경의 조절 용이성 등은 MIT 의 메커니즘을 밝히는데 있어서 TMD 물질이 기존의 전통적인 물질 시스템의 한계를 뛰어 넘어, 아주 유용한 시스템으로 쓰일 수 있는 요인들이 될 것으로 기대된다.