▲ 산화하프늄 강유전체에서의 대전된 도메인 벽 구조와 전하 분포 모식도(출처: UNIST)

국내 연구진이 강유전체내 대전된 도메인 벽이 에너지적으로 안정화될 수 있는 조건을 이론적으로 규명해 고밀도 반도체 메모리 소자 개발에 기여할 전망이다.

UNIST는 반도체소재부품대학원 이준희 교수팀이 강유전체에서 ‘대전된 도메인 벽’이 가장 에너지가 낮은 상태로 여겨지는 벌크 영역보다 더 안정적으로 존재할 수 있다는 사실을 양자역학 기반 계산을 통해 입증했다고 22일 밝혔다.

강유전체는 외부에서 전기장을 가해 물질 내부의 분극 방향을 바꿀 수 있는 차세대 반도체 소재다. 이 소재 내부에는 서로 다른 분극 방향이 만나는 경계면인 도메인 벽이 형성되는데, 형성에 필요한 에너지가 높고, 일단 생겨도 쉽게 사라져 불안정하다고 알려져 있었다.

이 교수팀은 산화하프늄(HfO₂) 강유전체의 특정 결정 방향에서 형성되는 대전된 도메인 벽(charged domain wall)이 오히려 벌크 영역보다 낮은 총 에너지 상태를 가질 수 있다는 사실을 이론적으로 확인했다.

고체물리학 상식에 반하는 이같은 현상은 ‘음의 구배 에너지’라는 특이한 물리적 성질 덕분이다. 분극 방향이 급격히 바뀌는 도메인 벽에서는 보통 구배 에너지가 양의 값을 가져 벽 형성을 방해한다. 하지만 산화하프늄의 경우, 특정 진동 모드에서 이 에너지가 음수로 바뀌며 도메인 벽이 형성되기 쉬운 조건이 만들어졌다.

음의 구배 에너지가 대전으로 인해 생긴 정전기 에너지를 일부 상쇄하고, 나머지 에너지는 도핑을 통해 보상하면, 전체적으로는 벌크보다 더 안정적인 도메인 벽이 형성될 수 있다는 결론이다.

이준희 교수는 “강유전체내 대전된 도메인 벽이 에너지적으로 안정화될 수 있는 조건을 이론적으로 규명한 연구”라며, “도메인 벽의 유무를 각각 0과 1의 정보로 저장하는 고밀도 메모리 소자 개발에 단서가 될 것”이라고 말했다.