김관표 교수팀, 새로운 4-6족 칼코겐 화합물 내 결합 구조 특이성으로 인한 전기적 특성 규명

나노 분야 세계적 학술지 ‘Nano Letters’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 김관표 교수, 최영재 교수, 세종대 홍석륜 교수]

이과대학 물리학과 김관표 교수 공동연구팀은 감마 게르마늄 셀레나이드(gamma Germanium Selenide, 이하 γ-GeSe)의 전기적 특성을 정밀하게 측정하고, 게르마늄과 셀레늄 사이의 결합 구조 특이성과 전기적 특성 사이의 상관관계를 규명해 학계에 보고했다.

열전 소자 및 상변화 메모리 응용 등에 크게 각광받고 있는 4-6족 칼코겐 화합물(group-IV monochalcogenide)은 칼코겐 원소의 종류에 따라 결정 구조와 물리적 특성이 정해진다. 일반적으로 황(S) 원소나 셀레늄(Se) 원소를 포함한 경우 사방정계(orthorhombic) 구조를 가지며 반도체 특성을 보이는 반면, 텔루륨(Te) 원소를 포함한 경우 능면체(rhombohedral) 또는 정육면체(cubic) 구조를 가지며 높은 전기 전도도를 보이는 것으로 알려져 있다. 이와 달리 김관표 교수 연구팀이 2021년 최초로 합성해 학계에 보고한 γ-GeSe은 셀레늄 기반 물질임에도 육방정계(hexagonal) 구조와 높은 전기 전도도를 지니고 있어 큰 주목을 받아 왔다.

김관표 교수 연구팀은 물리학과 최영재 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 전기적 측정 및 열전 효과 측정을 수행해 γ-GeSe가 매우 높은 농도의 정공(hole)을 가진다는 것을 확인했다. 

이와 더불어 세종대 물리천문학과 홍석륜 교수 연구팀은 제일원리 계산을 수행해 게르마늄 결함(vacancy)이 높은 전하 밀도의 원인임을 밝혀내고, 게르마늄 결함 생성을 통해 γ-GeSe의 결합 구조가 안정될 수 있음을 보였다. 

공동연구팀은 결론적으로 γ-GeSe 내 결합 구조 특이성으로 인해 텔루륨 계열의 물질과 같은 방식으로 전기적 특성이 결정됨을 규명했다.

[그림. (위) 게르마늄 결함이 존재하는 γ-GeSe의 결정 구조 모식도.

(아래) γ-GeSe의 미세 결합 구조 모식도(왼쪽)와 측정된 물성(오른쪽)]

김관표 교수는 “본 연구는 4-6족 칼코겐 화합물의 화학 결합 메커니즘에 대한 이해를 도울 뿐만 아니라 열전 소자 및 상변화 메모리 응용에 대한 가능성이 기대된다.”고 연구의 의의를 밝혔다.

우리 대학교 장정수 박사, 김준호 석박사통합과정생, 세종대 성동철 연구교수가 공동 제1저자로 참여한 본 연구 성과는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 선도연구지원사업(반데르발스물질연구센터), 기초연구실지원사업, 해외우수연구기관유치사업(GRDC), 기초과학연구원 나노의학연구단 및 연세시그니처연구클러스터사업 등의 지원을 받고 수행됐으며, 나노 분야 세계적 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters, IF 12.262)’에 4월 26일 게재됐다.

논문정보

● 논문 제목: Electrical Transport Properties Driven by Unique Bonding Configuration in γ-GeSe
● 논문주소: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04425