[이대수 교수 연구실] Enhanced flexoelectricity at reduced dimensions revealed by mechanically tunable quantum tunnelling

(왼쪽) 변전효과에 의한, SrTiO3 초박막 전기분극 유도. (오른쪽) 변전효과에 의해 유도된 전기분극 크기에 따른 SrTiO3 초박막의 양자 터널링 현상 제어.

  포스텍(포항공대) 이대수 교수 연구팀이 미시세계에서의 변전효과를 측정할 수 있는 방법을 제시하였고 변전효과를 통한 양자 효과 제어의 가능성을 제시하였다. 

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물리학과 이대수 교수 연구팀, 서울대학교 물리학과 노태원 교수 연구팀, Pennsylvania State University 연구팀, 그리고 University of Nebraska, Lincoln 연구팀과의 (국제) 공동연구를 통해, 미시세계에서 변전효과를 측정할 수 있는 방법을 발견하였다고 밝혔다. 이 연구는 저명 학술지인 Nature Commun. 10, 537 (2019)에 게재됐다. 이번 연구는 미시세계에서 변전효과를 효과적으로 연구하고 응용할 수 있는 토대를 마련한 연구로 평가된다.

변전효과 (flexoelectricity) 란 유전체 물질을 휘었을 때 즉, 변형기울기 (strain gradient)가 형성 되었을 때, 압전효과처럼 그 내부에 분극이 생기는 electromechanical coupling을 말한다. 이 효과는 압전효과와는 달리 모든 고체 물질군에서 일어날 수 있고, 크기가 줄어들수록 효과가 커진다는 점에서 앞으로 이미 산업적으로 큰 시장을 형성하고 있는 압전효과를 대체 할 수 있는 대안으로서 최근에 큰 관심을 받고 있는 효과이다. 하지만, 큰 문제점 중에 하나가 각각의 물질에서 분극과 변형 기울기 사이의 상관계수 (flexoelectric coefficient)를 측정하는 방법론에 관한 것이다. 실제로 미시세계로 물질의 크기가 줄어들었을 때 변전효과가 커진다는 것은 상관계수가 변하지 않는다는 가정하에 가능한 일이다. 이번 논문을 통해 저자들은 아주 얇은 SrTiO3 박막에 변형기울기를 가할 때 양자 터널링 전류가 변화되는 점을 발견했고, 이를 통해 미시세계에서의 상관계수 측정방법을 처음으로 고안하고 상관계수가 거시세계에서의 값보다 증폭된다는 것을 발견하였다. 이를 통해 미시세계에서의 변전효과를 측정할 수 있는 방법을 제시하였고 변전효과를 통한 양자 효과의 제어의 가능성을 제시하였다.

연구를 주도한 이대수 교수는 “본 연구는 최근 이슈가 되고 있는 변전효과가 미시세계로 가면서 그 크기가 오히려 더욱 커질 수 있다는 것을 보여주므로, 이를 통해 나노단위에서 향상된 새로운 물성/기능성을 설계할 수 있을 것으로 기대한다.” 라고 밝혔다.