원자층두께 2차원 층상구조 물질의 층면방향 제벡계수 측정 성공

물리학과 이상권 교수 양자수송현상연구팀(이원용 박사, 강민성 연구원, 김길성 박사, 박노원 박사, 최재원 석사)이 원자층 두께를 가지고 있는 2차원 층상구조 물질 표면에 수직인 층면 방향의 제벡계수(out-of-plane Seebeck coefficient)에 대한 측정을 최초로 성공했다. 해당 연구결과는 나노재료분야의 세계적인 학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’(IF 12.732) 11월 11일자 온라인판에 게재됐다. 

이번 연구는 일본 도쿄대학교 응용물리학과 Eiji Saitoh 교수 그룹, 울산대 김용수 교수 연구팀, 서울대 재료공학부의 장호원 교수 연구팀과 공동으로 진행됐다. 대면적으로 성장한 단일층(monolayer, 0.7nm)과 이중층(bilayer, 1.4nm) 두께로 구성된 이황화몰리브덴(molybdenum disulfide) 박막에 대해 길이방향이 아닌 박막표면에 수직방향으로 제벡계수(Seebeck coefficient)와 전기전도도(electrical conductivity)를 동시에 측정한 최초의 결과다. 원자층 두께를 가지는 2차원 층상구조 물질의 열-수송에 관한 연구는 길이방향(in-plane)으로 진행되었으나, 수직방향으로는 측정시스템 부재, 극히 작은 두께 등으로 인해 실질적 온도 구배(temperature gradient)를 유지/측정하는 것이 힘들게 여겨졌다. 

이번 연구에서는 열전도도(thermal conductivity)가 우수한 구리구조체를 활용해 원자층 층상구조 물질을 삽입하고 샌드위치 구조로 제작함으로써 중간에 삽입된 층상구조 박막의 제벡계수를 측정할 수 있었다. 새롭게 제작된 측정 모듈은 초소형 펠티어(Peltier) 소자를 장착해 △T=1 K에서 최대 20 K 까지의 온도 구배를 제어할 수 있다. 이 장치는 일반적 제벡효과(ordinary Seebeck effect) 측정 뿐 아니라 다양한 스핀-제벡효과(spin-Seebeck effect) 등에도 응용 가능하다. 특히, 원자층 두께를 가진 층상구조 물질에 대한 열-수송연구(thermal transport)에도 활용이 가능하다

이번 연구는 스핀-제벡연구에 특화된 도교대 연구팀, 2차원 층상구조 물질 성과에 우수한 연구실적을 가지고 있는 울산대 연구팀, 열전수송연구에 특성화되어있는 우리 대학 연구팀이 활발한 공동연구를 통해 도출한 성과다. 물리학과 윤영귀 교수 또한 DFT(density functional theory) 계산을 진행해 공동저자로 참여했다. 

연구를 주도한 이상권 교수는 “이번 연구를 통해 저차원 물질에 관한 열전-수송연구(thermoelectric transport)에 대해 활발한 연구를 진행할 것으로 기대되며 진행 중인 다양한 층상 물질에 대한 열-수송연구(Anomalous Hall effect, Anomalous Nernst effect, Valley Hall and Nernst effect) 등도 지속해서 진행할 예정이다”고 밝혔다.