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  1. 2011.12.22 미래형 비휘발성 메모리의 핵심 '다강체'
2011. 12. 22. 15:53 대덕밸리과학소식/KAIST

강유전체는 대용량 데이터를 저장(D램)할 수 있으면서 작동 속도가 빠르고(S램) 전원 없이도 데이터가 지워지지 않는(플래시 메모리) 장점만을 고루 갖춘 차세대 반도체 메모리 'F램'의 핵심 물질이고, 자성체는 자기를 이용해 정보를 기억하는 새로운 형태의 기억소자 'M램'의 필수적인 요소입니다.

KAIST 양찬호 교수와 포스텍 박재훈 교수 연구팀이 상온에서 전기적 성질(강유전성)과 자기적 성질(자성)을 동시에 갖는 새로운 물질인 '다강체'의 물성을 규명했습니다.

이 두가지 이질적인 현상이 하나의 물질에서 동시에 발생하는 것은 대단히 희귀한 현상이며, 특히 각각의 상전이 온도가 일치한다는 것은 진성(proper) 강유전체에서는 이전까지 발견되지 않았습니다.

이에 따라 현존 저장장치(RAM)의 장점만을 갖는 차세대 비휘발성 메모리 개발에 새로운 가능성을 열었습니다.

연구팀은 다강체(비스무스 철산화물)를 단결정 박막으로 만들 때 발생하는 압축 변형의 결과 강유전 상전이와 자성 상전이가 같은 온도에서 동시에 일어나는 새로운 물질의 상태를 발견했습니다.

T-BFO 박막의 강유전 도메인 구조


전기적으로 자성을 조정하거나 자기장으로 유전 분극을 조정하는 것을 기반으로 한 신개념 비휘발성 메모리 소자 개발에 한걸음 다가선 것입니다.

비스무스 철산화물은 탁월한 상온 강유전성에도 불구하고 자기-전기 상호작용이 명확하지 않았습니다.

그러나 연구팀이 새롭게 발견한 상태는 기존의 물질과는 결정구조가 다른 신물질로, 발현되는 모든 물성이 획기적으로 다르고 전기와 자기 상전이의 일치했습니다.

이번 연구는 전기적, 자기적 질서의 상전이 온도가 같은 유일한 진성 강유전 물질 발견으로, 자기-전기 상호작용을 연구할 새로운 모델 물질을 찾았다는데 의미가 있습니다.

또한 상전이 온도가 상온이라는 점은 응용 가능성이 크다는 것을 보여줍니다.

이번 연구에는 양찬호 교수와 박재훈 교수, 정윤희 교수(포스텍), 김기훈 교수(서울대) 등이 참여했습니다.

연구결과는 '네이처(Nature)'의 자매지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 지난 11월 29일자로 게재되었습니다.
(논문명: Concurrent transition of ferroelectric and magnetic ordering near room temperature)

T-BFO 박막을 합성하는데 사용한 증착 챔버와 함께 있는 양찬호 교수

 용  어  설  명

강유전체 (Ferroelectrics) 및 유전 분극 (Electric polarization) :
강유전은 전기장을 가하지 않아도 자연 상태에서 양이온과 음이온으로 분리되는 성질이다.
음이온들의 중심과 양이온들의 중심이 공간적으로 서로 벗어나 있을 때, 쌍극자 모멘트가 생성된다.
쌍극자 모멘트는 고전적으로 음이온 중심점에서 양이온 중심점을 잇는 벡터로 표현된다.
쌍극자 모멘트의 방향과 크기는 벡터에 의해 정의된다.
유전 분극은 거시적인 물성으로서 단위 부피 내에 있는 모든 쌍극자 모멘트의 합으로 표현될 수 있다.
쌍극자 모멘트들이 서로 상호 작용하여 같은 방향을 향하고 있다면 전기장이 없는 상태에서도 유전 분극이 큰 값을 가질 수 있는데, 이러한 현상을 강유전성이라 부르고, 강유전성 현상을 보이는 물질을 강유전체라고 일컫는다.  
 
자성체 (Magnetic materials) :
자성체란 물질의 구성 요소로 자기 이온이 함유되어 있는 물질을 통칭하나, 좁은 의미로는 자기 모멘트가 질서를 이루고 있는 물질을 말한다.
모든 자기 모멘트들이 같은 방향을 향하고 있다면 강자성체라고 부르며, 반대 방향을 향하는 두 모멘트가 질서를 이루는 경우 반강자성체라고 부른다.
 
상전이 온도 (Phase transition temperature) :
물질이 가지는 물성의 상태를 상(phase)이라고 부르고, 이러한 상이 특정 온도에서 바뀌기도 하는데, 이 온도를 상전이 온도라 부른다.

다강체 (Multiferroics) :
일반적으로 두 가지이상의 강성(ferroic) 질서를 가지는 물질을 일컫는데, 현재는 주로 강유전성과 (반)강자성이 공존하는 물질을 통칭한다.

<연 구 개 요>

 비스무스 철산화물 (BiFeO3; BFO) 물질을 LaAlO3 (001) 단결정 기판 위에 PLD 방법을 이용하여 증착한 결과 기존의 물질과는 15% 이상 격자상수가 다른 새로운 상태의 신물질(T-BFO)이 안정화되었다.
이러한 물질 상태는 준-안정한(meta-stable) 상태로 존재하였다가, LaAlO3 기판에 에피하게 증착되면서 압축변형에 의해 나타난 것으로 이해된다. 새로운 물질을 T-BFO라 부르고 기존의 일반 BFO를 R-BFO로 부르겠다. R-BFO 물질은 반강자성 상전이 온도가 640 K이며, 강유전 상전이 온도가 1100K로 알려져 있는 다강체(multiferroic) 물질이다.
하지만 T-BFO에서는 이러한 모든 물성이 크게 바뀌었다. 본 연구 결과는 T-BFO 물질의 자성, 구조적 성질, 강유전 성질에 관한 기초 연구를 포함하고, 자기전기(magnetoelectric) 효과에 대한 연구 결과도 보고하고 있다.
 우선 반강자성인 물질의 상전이 온도를 알아내기 위하여 본 연구팀은 자기 선평광 이색성 (Magnetic linear dichroism)을 이용하였다.
흥미롭게도 반강자성 상전이 온도는 ~380 K 가까이로 하강하였다.
보다 흥미로운 것은 자성 상전이 온도에서 구조적 상전이가 동반된다는 사실을 엑스선 회절 기법으로 통하여 발견하였으며, 이러한 구조 상전이는 강유전 분극의 방향 전환을 동반함을 주사 현미경 기법을 통한 강유전 도메인 구조 연구를 통하여 최종 결론지었다.
일반적으로 자성과 강유전성은 각기 자기장과 전기장을 통하여 조정되는 질서로서 상호 커플링이 대단히 미약하다.
자성 상전이 온도에서 강유전 분극의 방향이 바뀌는 일은 대단히 희귀한 현상인데, 극히 미약한 유전분극을 가지는 제한된 물질에서 극한 저온 환경에서 발생되는 것으로 알려졌다.
하지만 BFO와 같이 큰 유전분극을 가지는 진성 강유전체(proper ferroelectrics)에서 발견되기는 처음이다. 또한 상온 이상에서 상전이를 가지는 것은 응용적인 측면에서도 많은 이점이 있다.
 이렇게 상온 이상에서 자성과 강유전성이 동반되는 상전이 현상이 나타나는 것은 T-BFO가 강한 자성-격자 상호작용을 가지는 물질임을 시사한다.
전기적으로 자성을 조정하거나 역으로 교차 조정하는 소자의 개발과의 연관성에 주목해야 하는 이유이다.


posted by 글쓴이 과학이야기

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