울산대에 따르면 2023학년도부터 새롭게 운영되는 반도체학과 김정대 교수 연구팀은 부산대 물리학과 이재광 교수팀, 서울시립대 물리학과 및 스마트시티학과 장영준 교수팀, 울산과학대 황영순 교수팀과 함께 위상특성을 이용해 바일준금속(Weyl semimetal)의 전자구조를 제어할 수 있는 신물질을 합성해 전력 손실을 줄일 수 있는 양자소자 개발 가능성을 열었다.
양자소자란 다양한 양자 효과들을 능동적으로 활용할 수 있는 새로운 개념의 미래 소자다.
독일 물리학자 헤르만 바일(Hermann Weyl)이 제안한 바일준금속은 독특한 위상성질을 가지고 있어 해당 금속에 전압을 걸어주면 전자가 이동하는 통로가 형성돼 이 통로에서는 저항을 받지 않고 전류가 흐를 수 있다.
이러한 특성은 향후 에너지 손실을 최소화하는 양자소자를 개발하는 데 활용할 수 있다.
공동연구팀은 제1원리계산 기법을 통해 바일준금속 응용성을 높일 수 있는 전자구조 제어 가능성을 예측했다.
이에 대한 실험적 검증을 위해 바일준금속 물질인 니켈칼코겐화합물에 셀레늄을 치환해 니켈칼코겐화합물합금이라는 신물질을 합성했다.
공동연구팀은 합성한 니켈칼코겐화합물합금에서 셀레늄 원소의 양에 비례해 전자구조 제어가 가능하다는 것을 보임으로써 반도체에서 도핑과 같은 효과가 발생한다는 것을 확인했다.
도핑은 반도체 공정에서 물질이 가진 전기적, 광학적, 구조적 특성을 조절하기 위해 불순물을 의도적으로 첨가하는 것을 말하는데, 주로 반도체 전도율을 증가시키기 위해 사용된다.
공동연구팀 관계자는 “이번 연구로 개발한 바일준금속 신물질을 통해 전자구조를 목적에 맞게 조절할 수 있는 새로운 방법을 제시했다”며 “연구 결과는 전력 손실이 없는 양자전자소자 분야에 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.
연구 결과는 미국화학회(ACS)에서 발간하는 나노 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노’(ACS NANO)에 게재됐다.
차형석기자 stevecha@ksilbo.co.kr
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