전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀이 1차원 페로브스카이트 나노 구조체의 반금속성을 밝히고 이를 이용한 새로운 비선형 소자 구현 방법을 제시했다. 이번 연구는 저차원 페로브스카이트의 새로운 물질적 특성을 규명함과 더불어 기존에 제시되지 않았던 양자 혼성화 NDR 메커니즘을 확립하였다는 의의가 있다. 연구 논문은 지난 1월 7일 <어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)> 온라인판에 게재됐다.

페로브스카이트, 광소자 분야서 주목

 페로브스카이트는 주요 결정 구조 중 하나로 ABX3 형태로 이루어진 물질을 의미한다. A와 B자리에는 양이온이, X자리에는 음이온이 주로 들어가며 A자리에 유기물의 양이온, X자리에 할로겐 원소가 들어갈 경우 유무기 하이브리드 할로겐화 페로브스카이트라고 불린다. 유무기 하이브리드 할로겐화 페로브스카이트는 제작이 간편하고 광학적 성능이 뛰어나 최근 태양전지 등 광소자 개발 분야에서 각광받고 있다. 그러나 할로겐화 페로브스카이트의 전자소자 응용에 대한 연구는 거의 이루어지지 않은 실정이다.

제1원리 시뮬레이션으로 안정성 예측

 연구팀은 최근 합성에 성공한 TMS(Trimethylsulfonium)가 유기 리간드인 TMSPbI3 하이브리드 할로겐화 페로브스카이트가 1차원 나노선 구조를 이루고 있다는 사실에 주목했다. 이후 양자역학 기반의 제1원리 시뮬레이션*을 통해 TMSPbI3 페로브스카이트에서 TMS 유기 리간드를 제거한 후에도 PbI3 나노선이 안정한 구조를 유지함을 예측하였다. 또한, TMSPbI3 나노선이 반도체임에 반해 유기물이 제거된 나노선은 반금속성을 띤다는 사실을 발견했다.

새로운 양자 혼성화 NDR 특성 밝혀

 이후 연구팀은 TMSPbI3 채널과 PbI3 전극으로 이루어진 터널링** 소자를 고려했다. 연구팀이 제시한 터널링 소자는 매우 우수한 피크-밸리 전류비(Peak-to-Valley Current Ratio)를 가지는 비선형 부성미분저항(Negative Differential Resistance, NDR) 특성을 보였다. 피크-밸리 전류비는 NDR 특성이 나타나는 전류-전압 곡선에서 가장 높은 전류와 가장 낮은 전류의 비율로 NDR 소자의 효율을 결정하는 주요 지표이다. 여기서 NDR이란, 일반적인 저항에서처럼 전압과 전류가 비례하지 않고 오히려 특정 구간에서 전압이 증가할수록 전류가 비선형적으로 감소하는 현상이다.

 연구팀은 두 전극 사이의 양자 혼성화(Quantum Hybridization) 상태가 특정 전압 이후 붕괴되어 전류량이 급격히 줄어들기 때문에 NDR 특성이 나타남을 밝혔다. 이는 기존의 공명 터널링 다이오드에서 NDR 특성이 나타나는 원리와는 다른 새로운 양자 혼성화 NDR 메커니즘이다.

 이번 연구에서 밝혀낸 NDR 특성을 이용하면 기존 2진법 소자를 뛰어넘는 3진법 소자 개발이 가능해, 차세대 반도체 소자 개발에도 기여할 전망이다. 김 교수는 “양자 혼성화 NDR 메커니즘을 발현시킬 수 있는 새로운 저차원 물질을 찾거나, 페로브스카이트 나노선을 이용한 집적 회로 및 발광 소자의 개발로 확장 가능할 것”이라고 전망했다.

제1원리 시뮬레이션*

슈뢰딩거 방정식을 컴퓨터로 풀어 물질 내 전자의 거동을 해석하는 방법. 

터널링**

입자가 자신이 갖는 에너지보다 준위가 높은 에너지 장벽을 통과하는 현상.