【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=국내 연구진이 산화물 박막 내부의 결함 구조와 금속 나노입자 형성을 정밀하게 제어해 전기가 통하지 않던 절연체를 금속 상태로 전환시키는 데 성공했다. 이 과정에서 새로운 자기적 특성까지 함께 나타나는 현상도 확인돼 차세대 전자소자 개발 가능성을 높이고 있다.

▲ 환원 처리에 의한 페로브스카이트 격자의 절연체-도체 전이와 동시에 나노 입자의 엑솔루션에 의한 초상자성 발현에 관한 도식  © 포스텍

POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과 한현 교수·이동화 교수 연구팀과 KENTECH(한국에너지공과대학교) 오상호 교수 연구팀은 최근 ‘엑솔루션(Exsolution)’ 과정에서 발생하는 구조 변화를 분석해 물질의 전기적·자기적 특성이 급격히 변화하는 원리를 규명했다고 밝혔다.

연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지인 Advanced Materials에 게재됐다.

엑솔루션은 산화물 내부에 존재하던 금속 이온이 환원 환경에서 표면으로 이동해 나노입자로 석출되는 현상을 의미한다. 생성된 나노입자는 표면에 단단히 고정돼 일반적인 증착 방식보다 안정성이 높아 연료전지와 촉매 등 다양한 에너지 분야에서 활용 가능성이 주목받아 왔다.

연구팀은 엑솔루션 과정이 단순한 나노입자 생성에 그치지 않고 물질 자체의 성질을 바꿀 수 있는지 확인하기 위해 특수 구조의 산화물 박막을 설계하고 실험과 이론 계산을 병행했다.

분석 결과 초기 상태의 박막은 여러 원소가 복잡하게 배열되고 내부 결함이 존재함에도 불구하고 전하 균형을 유지하면서 절연체 특성을 나타내는 것으로 확인됐다.

그러나 환원 환경에서 엑솔루션을 유도하자 박막 내부와 표면에 니켈(Ni) 나노입자가 형성됐고, 결함 구조와 전자 배열이 재편되면서 물질의 특성이 크게 달라졌다.

특히 전자 구조가 란타넘이 도핑된 스트론튬 타이타네이트와 유사한 형태로 변화하면서 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 금속 상태로 전환됐다. 이에 따라 전기 저항은 기존 대비 1,000배 이상 감소했으며, 뚜렷한 절연체-금속 전이 현상이 관찰됐다.

자기적 특성 변화도 확인됐다. 기존에는 반자성에 가까운 성질을 보였지만, 엑솔루션 이후 생성된 니켈 나노입자들의 상호작용으로 상온에서 초상자성(superparamagnetism)이 나타났다.

초상자성은 외부 자기장이 가해질 때는 자성을 띠지만 자기장이 제거되면 자화 상태가 사라지는 특성을 말한다. 이러한 성질은 고밀도 저장장치와 스핀트로닉스 분야에서 중요한 물성으로 평가된다.

연구팀은 이번 성과가 엑솔루션 기술을 활용해 산화물 내부의 전자 구조와 결함 상태를 설계하고 전기적·자기적 특성을 동시에 제어할 수 있음을 보여준 사례라고 설명했다.

한현 교수는 “이번 연구는 물질의 기능을 능동적으로 설계할 수 있는 새로운 가능성을 제시한 것”이라며 “향후 차세대 전자소자와 스핀트로닉스 기술 개발에 중요한 기반이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 원천기술국제협력개발사업과 신진연구사업, Max Planck Partner Group 프로그램, 삼성전자 DS부문의 지원을 받아 수행됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

POSTECH & KENTECH Research Teams Identify Mechanism That Transforms Oxide Properties… Insulators Convert into Metals

Domestic researchers have succeeded in converting non-conductive insulators into a metallic state by precisely controlling the defect structure and metal nanoparticle formation within oxide thin films. The simultaneous emergence of new magnetic properties during this process has also been confirmed, raising the potential for the development of next-generation electronic devices.

A research team led by Professors Han Hyun and Lee Dong-hwa of the Department of Materials Science and Engineering at POSTECH (Pohang University of Science and Technology) and Professor Oh Sang-ho of KENTECH (Korea Institute of Energy and Technology) recently announced that they have identified the principles behind the rapid changes in a material's electrical and magnetic properties by analyzing structural changes occurring during the "exsolution" process.

The research findings were published in Advanced Materials, an international academic journal in the field of materials science.

Exsolution refers to the phenomenon where metal ions existing within an oxide migrate to the surface in a reducing environment and precipitate as nanoparticles. The generated nanoparticles are firmly immobilized on the surface, offering higher stability than conventional deposition methods; consequently, their potential for application in various energy fields, such as fuel cells and catalysts, has garnered significant attention.

To verify whether the exsolution process could alter the properties of the material itself beyond the simple generation of nanoparticles, the research team designed oxide thin films with special structures and conducted both experimental and theoretical calculations.

Analysis revealed that the thin film in its initial state exhibited insulating properties while maintaining charge balance, despite the presence of internal defects and a complex arrangement of various elements.

However, when exsolution was induced in a reducing environment, nickel (Ni) nanoparticles formed within and on the surface of the thin film. As the defect structure and electronic arrangement were reorganized, the material's properties changed significantly.

In particular, the electronic structure transformed into a form similar to lanthanum-doped strontium titanate, transitioning into a metallic state where electrons could move freely. Consequently, electrical resistance decreased by more than 1,000 times compared to the original state, and a distinct insulator-to-metal transition was observed.

Changes in magnetic properties were also confirmed. Previously, the material exhibited properties close to diamagnetism, but superparamagnetism appeared at room temperature due to the interaction of nickel nanoparticles generated after exsolution.

Superparamagnetism refers to a property where a material exhibits magnetism when an external magnetic field is applied, but the magnetization state disappears when the field is removed. This property is considered a critical material property in the fields of high-density storage devices and spintronics.

The research team explained that this achievement demonstrates the ability to design the electronic structure and defect states within oxides and simultaneously control electrical and magnetic properties using exsolution technology.

Professor Han Hyun stated, "This research presents a new possibility for actively designing the functions of materials," adding, "We expect it to serve as an important foundation for the future development of next-generation electronic devices and spintronics technology."

Meanwhile, this research was conducted with support from the Ministry of Science and ICT's International Cooperation Development Program for Original Technologies, the Young Researcher Program, the Max Planck Partner Group Program, and Samsung Electronics' DS Division.