서강대 물리학과 양상모, 화학과 옥강민 교수 연구팀,

2차원 할라이드 페로브스카이트 강유전 소재의 온도에 따른 강유전 도메인 변화 및 상전이 메커니즘 규명

▲ (좌측부터) 물리학과 양상모 교수, 화학과 옥강민 교수, 물리학과 정태현 석사과정생

서강대학교(총장 심종혁) 물리학과 양상모 교수와 화학과 옥강민 교수 연구팀이 2차원 할라이드 페로브스카이트(halide perovskite) 강유전 소재에서 나노스케일 이미징 기법을 활용하여 온도에 따른 강유전 도메인(domain) 변화 및 강유전-상전이 메커니즘을 규명하였다.

이번 연구는 물리학과 양상모 교수가 교신저자로, 정태현 석사과정생이 제1저자로 참여하였으며, 화학과 옥강민 교수(공동 교신저자) 연구팀과의 공동 연구로 수행되었다. 연구는 한국연구재단 기초연구실(BRL), 중견연구자사업, 글로벌리더연구사업 등의 지원을 받아 진행되었으며, 그 성과는 재료과학 분야의 국제 저명 학술지 Advanced Materials(IF = 26.8)에 최근 온라인 게재되었다. 

할라이드 페로브스카이트는 고효율·저비용 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있으며, 특히 기존 3차원 소재에 비해 2차원 할라이드 페로브스카이트는 우수한 안정성을 갖는 것으로 알려져 있다. 또한 우수한 광학 특성뿐만 아니라 강유전성과 같은 새로운 기능성도 가지고 있어 다양한 전자소자로의 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 강유전 소자 구현을 위해서는 온도에 따른 강유전 거동에 대한 이해가 필수적임에도 불구하고, 기존 연구는 주로 강유전 상전이 온도, 즉 큐리 온도(Curie temperature)와 같은 거시적인 물성에 국한되어 왔다.

연구팀은 압전감응 힘 현미경 (piezoresponse force microscopy, PFM) 기법을 통해 나노스케일에서 온도에 따른 강유전 도메인 변화를 직접 관측하고, 이를 바탕으로 강유전상에서 상유전상으로의 상전이 메커니즘을 규명하였다. 특히, 큐리 온도보다 낮은 온도에서도 국소적으로 강유전-상전이가 시작됨을 최초로 확인하였으며, 온도가 상승함에 따라 큰 도메인이 작은 도메인들로 나뉘어지면서 상유전상 영역이 국소적으로 생겨남을 관측하였다. 또한 Landau-Ginzburg-Devonshire 이론에 기반한 분석 결과, 이 상전이가 2차 상전이임을 확인하였다. 이러한 2차 상전이는 온도에 따른 분말 X-선 회절 실험에서 구조의 점진적인 변화를 관측하는 등 다양한 기법을 통해 교차 검증되었다.

양상모 교수는 “본 연구에서는 나노스케일에서 온도에 따른 강유전 도메인 변화를 직접 관측함으로써 강유전-상유전 상전이에 대한 미시적 이해를 제시하였다”며, “이는 2차원 할라이드 페로브스카이트 기반 강유전 소자 응용을 위한 중요한 기초적 토대를 제공한 것이다”라고 밝혔다.

옥강민 교수는 “이번 연구는 2차원 할라이드 페로브스카이트의 온도에 따른 구조 변화를 나노 수준에서 규명함으로써, 향후 강유전 및 광전자 소자의 신뢰성 확보를 위한 기초자료를 제공했다”고 밝혔다.