서강대 양상모·옥강민 교수 연구성과 저명 학술지 게재

나노스케일에서 온도 따른 강유전 도메인 변화 및 강유전-상전이 매커니즘 규명
재료과학 분야 저명 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼’ 최근 온라인판 게재

왼쪽부터 서강대 물리학과 양상모 교수, 화학과 옥강민 교수, 물리학과 정태현 석사과정 대학원생. 서강대 제공

서강대(총장 심종혁) 물리학과 양상모 교수와 화학과 옥강민 교수 연구팀이 2차원 할라이드 페로브스카이트(halide perovskite) 강유전 소재에서 나노스케일 이미징 기법을 활용, 온도에 따른 강유전 도메인(domain) 변화 및 강유전-상전이 매커니즘을 규명했다고 서강대가 24일 밝혔다.

이번 연구는 양 교수가 교신저자로, 정태현 석사과정 대학원생이 제1저자로 참여했다. 옥 교수(공동 교신저자) 연구팀도 공동 연구를 수행했다. 연구는 한국연구재단 기초연구실(BRL), 중견연구자사업, 글로벌리더연구사업 등의 지원을 받아 진행됐으며, 그 성과는 재료과학 분야 국제 저명 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼’(Advanced Materials) 온라인에 최근 게재됐다.

할라이드 페로브스카이트는 고효율·저비용 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다. 특히 기존 3차원 소재에 비해 2차원 할라이드 페로브스카이트는 우수한 안정성을 갖는 것으로 알려졌다. 우수한 광학 특성 뿐만 아니라 강유전성과 같은 새로운 기능성도 갖고 있어 다양한 전자소자로 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나 강유전 소자 구현을 위해서는 온도에 따른 강유전 거동에 대한 이해가 필수적임에도 불구하고, 기존 연구는 주로 강유전 상전이 온도, 즉 큐리 온도(Curie temperature)와 같은 거시적인 물성에 국한돼 왔다.

연구팀은 ‘압전감응 힘 현미경’(PFM·piezoresponse force microscopy) 기법을 통해 나노스케일에서 온도에 따른 강유전 도메인 변화를 직접 관측하고, 이를 바탕으로 강유전상에서 상유전상으로의 상전이 매커니즘을 규명했다. 특히, 큐리 온도보다 낮은 온도에서도 국소적으로 강유전-상전이가 시작됨을 최초로 확인했고, 온도가 상승함에 따라 큰 도메인이 작은 도메인들로 나뉘어지면서 상유전상 영역이 국소적으로 생겨남을 관측했다.

연구팀은 또 ‘랜도-긴즈버그-데본셔’(Landau-Ginzburg-Devonshire) 이론에 기반한 분석 결과, 이 상전이가 2차 상전이임을 확인했다. 이러한 2차 상전이는 온도에 따른 분말 X-선 회절 실험에서 구조의 점진적인 변화를 관측하는 등 다양한 기법을 통해 교차 검증됐다.

양 교수는 “본 연구에서는 나노스케일에서 온도에 따른 강유전 도메인 변화를 직접 관측함으로써 강유전-상유전 상전이에 대한 미시적 이해를 제시했다”며 “이는 2차원 할라이드 페로브스카이트 기반 강유전 소자 응용을 위한 중요한 기초적 토대를 제공한 것”이라고 밝혔다. 옥 교수는 “이번 연구는 2차원 할라이드 페로브스카이트의 온도에 따른 구조 변화를 나노 수준에서 규명함으로써, 향후 강유전 및 광전자 소자의 신뢰성 확보를 위한 기초자료를 제공했다”고 했다.

강한 기자