우리가 일상 생활에서 접하는 물질들의 성질(전기 전도성, 열전도성, 자성, 광학적 특성 등)은 각각의 물질을 이루는 원자들이 3차원 상에서 어떠한 구조로 배열되느냐에 따라 결정됩니다. 현재까지 대부분의 결정성 물질 구조는 X선 회절 실험에 의해서 밝혀졌고, 이는 고체 물질의 물성을 물리학적으로 이해하는 밑거름이 되어 현대 반도체 산업의 근간을 이루었습니다. 

이러한 물질들의 성질을 이용하여 만들어지는 소자들은 일반적으로 단일 물질 하나로 만들어지는 것이 아니라, 서로 다른 성질을 가지는 물질들을 조합하여 이어붙여진 형태가 대부분입니다. 이렇게 서로 다른 성질을 가지는 물질을 이어붙이는 과정에서 두 물질 사이의 경계, 즉 계면이 형성됩니다.

물질 계면에서의 원자들의 배열은 계면을 이루는 각각의 물질과는 다른 형태로 만들어지는 경우가 많고, 이에 따라 기존의 물질에서는 볼 수 없었던 새로운 물성이 종종 관측됩니다. 뿐만 아니라 nm 수준의 공정을 뛰어넘어 sub-nm 스케일, 즉 단일원자에 가까운 컨트롤을 요하는 기술시대에는 계면효과가 소자의 기능성에 큰 영향을 미치게 됩니다. 그러나, 이러한 계면에서의 물리현상들은 아직 많은 부분이 미규명 상태입니다. 기존의 X선 회절을 이용한 전통적인 측정 방식으로는 계면에서의 원자 구조, 즉 어떠한 원자들이 어떤 위치에 배열되어 있는지를 파악하는 것이 매우 어렵기 때문입니다. 또한 내부에 묻혀 있는 3차원 계면구조의 특성상 표면측정이나 2차원적인 투과측정으로도 정확한 원자 구조를 알아내는 것이 어렵습니다.

본 연구에서는 원자분해능 전자토모그래피라는 새로운 방법론을 개발 및 적용하여 기존에는 볼 수 없었던 계면에서의 3차원적인 원자 구조를 단일 원자 단위로 측정합니다. 한 걸음 더 나아가, 열적, 전기적 자극에 의해 계면 원자들이 시간에 따라 어떻게 움직이는지를 3차원적으로 분석하여 계면의 형성 과정 및 형성된 구조의 안정성에 대한 동역학을 규명합니다.

본 연구를 통해 아직까지 논란이 되고 있는 다양한 이종접합구조 계면에서의 물리적 특이현상을 설명하는데 직접적인 단서를 제공할 수 있을 것으로 예상합니다. 뿐만 아니라, 금속-반도체, 반도체-반도체, 반도체-부도체 등 전자소자제작에 필수적으로 형성되는 다양한 계면시스템을 단일 원자 단위에서 3차원적으로 분석함으로써 점점 더 중요성이 강조되고 있는 소자 계면에서의 구조-물성 상관관계를 확립할 수 있습니다. 마지막으로, 계면에서의 원자 확산 동역학을 단일 원자 단위로 관측하는 기술은 계면의 형성 과정에 대한 근본적인 이해를 제공할 뿐만 아니라 이미 알려진 계면물성을 조절하거나 새로운 물성을 조합하는 완전히 새로운 개념의 연구를 가능하게 할 것으로 기대합니다.

그림: 원자분해능 전자토모그래피에 기반한 물질 계면 구조 측정 모식도: 기존의 방법론으로는 측정이 어려운 물질 계면의 3차원적인 원자 구조를 단일 원자 단위로 규명