열전특성의 계측과 도전성 원자간력 현미경 관찰을 조합
홋카이도 대학 전자과학 연구소의 太田裕道 교수와 한국 부산대학교의 진현진 조교수 등의 연구그룹은 2019년11월, 차세대 정보기억소자용 재료로 기대되고 있는 코발트산 스트롱튬(SrCoOx)박막의 전기화학산화반응을 가시화하는데 성공했다고 발표했다.
연구그룹은 이제까지 200℃ 정도의 비교적 저온 환경에서 SrCoOx박막의 산소량（x）을 제어할 수 있음을 발견. 2016년에는 SrCoOx의 산화 및 환원반응을 응용해서, 전류와 자성으로 정보를 기억할 수 있는 소자구조를 제안, 시험제작도 해 왔다.
SrCoOx의 결정구조도 (출전 : 홋카이도 대학)
단, 실용화에 있어서는 “절연체”에서 전기가 흐르는 “금속”으로 전환하는데 걸리는 시간이 서너 초로 길어서 “정보 전환 시간단축”이 과제였다. 이 과제를 해결하기 위해서는 거시적인 스케일로 산화 및 환원 반응을 가시화하여 분석할 필요가 있었다고 한다.
하지만, 거시적 스케일의 가시화로 일반적으로 쓰이는 투과형 전자현미경으로는, 전자선 조사에 대한 내성이 낮은 SrCoOx에는 적용시킬 수가 없었다. 그래서 이번에 열전특성 계측과 도전성 원자간력 현미경(도전성AFM)에 의한 관찰을 조합시킨, 새로운 가시화 수법을 개발했다.
SrCoOx는, 산소량（x）이 2.5인 경우는 전기적으로 절연체가 되고, x가 3이 되면 금속처럼 전기가 흘러 자석에 붙는 특성을 나타낸 것으로 알려져 있다. 이번 연구에서는 우선, 면적인 1×1cm인 SrCoO2.5박막을 산화시켜, 산화 정도가 다른 6종류의 박막시료를 제작했다.
산화 정도가 가른 6종류의 SrCoOx박막을 제작 (출전 : 홋카이도 대학)
이들 박막시료에 대해, 전기저항률이나 열전능 같은 열전특성을 계측, 얻어진 데이터를 분석했다. 더불어, 열전특성 계측과 해석에서 얻어진 지견을 분석하기 위해, 도전성AFM에 의한 관찰을 했다.
그 결과, SrCoO2.5층과 SrCoO3층을, “주상성장모델”로 가정해서 해석하면, 실험에서 얻어진 데이터와 거의 일치했고, SrCoO2.5박막의 전기화학산화반응은 주상으로 일어나고 있음이 밝혀졌다. 층상으로 겹치는 “층상성장모델”로 가정해서 해석한 경우에는, 실측값을 재현할 수 없었다고 한다.
산화 정도가 다른 SrCoOx박막의 열전특성 (출전 : 홋카이도 대학)
더불어, 도전성AFM에 의한 시료관찰로, 크기에 관한 정보수집을 실시했다. 주사범위는 2×2μm이다. 형상상에서는 큰 변화를 관찰할 수는 없었지만, 전류상에서는 직경 약 100nm 크기의 전기가 흐르는 영역이, 산화 정도의 증가에 따라 증가하는 양상을 관찰할 수 있었다고 한다.
산화 정도가 다른 SrCoOx박막을 도전성AFM으로 관찰한 결과 (출전 : 홋카이도 대학)
연구그룹에 의하면, 새로 개발한 가시화 수법은 SrCoOx박막을 사용한 차세대 정보기억소자의 개발 뿐만 아니라, “투과형 전자현미경에 의해 관찰 할 수 없는 재료의 전기화학산화・환원반응의 가시화에도 도움이 된다”고 보고 있다.