기초과학

중국 토폴로지컬 절연체 기초연구 성과리뷰

발행일 : 2012 / 01 / 12

최근 3차원 토폴로지컬 절연체 A2B3(A=Bi,Sb;B=Se,Te)이 독특한 2차원 디랙 페르미온(Dirac Fermion) 표면준위와 많은 특이한 전자특성을 지닌 것으로 알려지면서 연구자들의 관심사가 되어왔다. 하지만 거의 대부분의 토폴로지컬 절연체 재료는 고유의 결함 때문에 표면준위의 특성은 캐리어에 의해 쉽게 나타나지 않는다. 표면준위 디랙 포인트 부근의 특성을 보다 잘 연구하기 위해서는 디랙 포인트와 멀리해야 한다. 따라서 결함을 제어하여 페르미면과 에너지밴드구조를 효과적으로 조절 제어하는 것은 해당 분야의 중요한 과제가 되었다. 중국과학원 물리연구소 북경응집체물리 국가실험실(준비중) 표면물리국가중점실험실의 마쉬춘(馬旭村)연구원, 허커(何珂)부연구원과 청화대학 물리학부의 쉐치쿤(薛其坤), 왕야위(王亞愚)와 천시(陳曦)교수는 1년간 공동 연구를 통해 토폴로지컬 절연체 박막의 전자구조 및 에너지밴드 조절, 토폴로지컬 절연체 도핑연구에서 많은 성과를 올렸다.

1. Sb2Te3박막의 결함제어, 에너지밴드구조 제어 및 토폴로지컬 표면준위 특성연구

2010년의 Bi2Te3, Bi2Se3 연구성과를 바탕으로 연구진은 고품질 Sb2Te3박막의 분자빔 애피텍셜 생장(MBE)을 가장 먼저 실현하였다. STM/STS 관측을 통해 재료의 결함유형에 대한 연구를 수행하였는데, 주요 결함은 모두 P형임을 확정하였다.(그림1 a-f) 생장동력학의 정밀조절을 통해 Sb2Te3 박막중 결함의 농도와 유형을 효과적으로 제어하였다. 기판의 n형 도핑효과를 이용해 Sb2Te3 박막의 페르미면을 전체 에너지갭범위에서 효과적으로 조절하였으며(그림1g) 특히 페르미면은 디랙 포인트를 꿰뚫고 지나 표면준위의 전하 중성점(neutral point)에 도달할 수 있다.[Phys. Rev. Lett., accepted, see also arXiv: 1111.0817]

Sb2Te3박막중 란다우 준위(Landau level)에 대한 체계적인 연구를 수행했고(그림2c) 처음으로 Sb2Te3 표면준위의 준입자수명이 인트린식(intrinsic) 대체 결함의 영향을 거의 받지 않고 전자 상호작용의 영향만 받는다는 점을 입증하였다.(그림2e) 이는 토폴로지컬 표면준위 전자가 보통도체중의 carrier와는 달리 특이한 나선스핀구조를 지니기 때문이다. 또한 Sb2Te3 표면준위가 완벽한 선형 분산관계를 지니며(그림2d) 3차원 토폴로지컬 절연체로서 두께 극한은 4층임을 확정하였다. 이러한 특징으로부터 Sb2Te3은 일종의 토폴로지컬 절연체로서 많은 특이한 현상을 나타내는 이상적인 재료임을 알 수 있다. [Phys. Rev. Lett., in press (2011), see also arXiv: 1111.1485]

Sb2Te3과 Bi2Te3이 지닌 다양한 에너지밴드구조와 도핑특성을 이용해 연구팀은 서로 다른 성분의 (Bi1-xSbx)2Te3 3차원 합금박막을 성공적으로 생장시켰다. ARPES스펙트럼과 수송측정연구결과, 3차원 합금박막중 Bi/ Sb의 비율을 조절하면 표면준위 에너지밴드구조를 hole형에서 전자형으로(그림3) 전환할 수 있으며 디랙 포인트는 원자가띠 최대값(valence band maximum, VBM)(Bi2Te3)이하로부터 에너지갭을 높일 수 있음을 나타냈다. 에너지밴드와 화학 포텐셜(chemical potential) 조절제어기술은 이상적인 인트린식(intrinsic) 토폴로지컬 절연체를 실현할 수 있을 뿐만 아니라 표면상태의 양자수송연구와 부품응용을 촉진할 수 있다.[Nat. Commun. 2, 574 (2011)]

2. 도핑한 Bi2Se3 토폴로리컬 절연체 박막의 전자구조연구

초전도체/토폴로지컬 절연체 계면을 구축하거나 혹은 초전도상을 토폴로지컬 절연체의 펄크 상(bulk phase)에 도입시키면 토폴로지컬 절연체는 Majorana 페르미온을 실현할 가능성이 가장 큰 체계가 될 것이다. 후자는 Cu를 도핑한 Bi2Se3재료로부터 이미 실현하였지만 Majorana 페르미온은 아직 확인된바 없다. 연구진은 MBE와 STM/STS를 이용해 미시적인 차원에서 CuxBi2Se3체계를 통해 Cu 도핑메커니즘을 체계적으로 연구하였고 Majorana 페르미온의 관측에 유용한 정보를 제공하였다.[Phys. Rev. B 84, 075335 (2011)]

3차원 토폴로지 절연체 가운데 갭레스(Gapless) 나선표면준위의 베리위상(Berry’s phase)은 π인데, 이는 일련의 특이한 현상을 유발한다. 전자 수송을 통해 토폴로지컬 표면준위의 이러한 특성을 연구하기 위해 2차원 극한에서의 Bi2Se3박막을 생장시켰으며, 박막에 전자상호작용 및 안티 약국소화 효과(weak anti-localization theory)로 형성된 절연기저상태를 발견하였다.[Phys. Rev. B 83, 165440 (2011)] Bi2Se3박막에 자성원자를 도핑한 결과 표면준위의 베리위상이 π에서 빗나가면서 안티 약국소화(weak anti-localization)로부터 약국소화(weak localization)로 전이하는 현상을 유발하였다. 자성 도핑이 토폴로지컬 절연체 표면준위의 수송특성에 미치는 영향에 대해 세밀하게 연구하였고 토폴로지컬 절연체의 스핀전자학 분야의 잠재된 응용을 발굴하는데 의의가 크다.[Phys. Rev. Lett., in press (2011), see also arXiv: 1103.3353]