Atomic sputter epitaxy for metal single crystal thin film and its applications for Nanoscience and Photonics
- Speaker: Prof. Jeong, Se-Young (Pusan National University)
- Date: Wednesday October 02, 2019 05:00pm
- Place: Jungho Seminar Room
최근 구리 박막에 대한 관심도가 매우 커지고 있다. 그래핀과 같은 첨단 물질을 성장하는데 가장 필요한 기판 물질이기도 하고 소자 공정이 소형화 됨에 따라 금속의 결정성이 소자 특정에 미치는 영향을 학계와 산업계가 매우 깊게 인식하기 시작했기 때문이기도 하다. 2017년 Science에 발표된 논문은 “Nanocrystalline copper films are never flat” 이라는 제목으로 시작한다. 이 논문은 Nature Materials 의 News & Views에서 editor 가 특별 기사로 다루기도 했다. 우리가 금속박막을 다룸에 있어 완벽한 단결정을 만들 수 있다면 가장 이상적이겠지만 현실적으로 grain boundary의 존재를 무시할 수 없고 이러한 grain boundary에 의한 표면의 기울어짐은 원천적이며 특히 나노 박막에서는 이러한 defect들이, 특히 나노 science에서는 물성에 치명적인 영향을 준다는 것이 논문의 요지이다.
본 발표에서는 특별히 금속 박막의 성장을 위해 개발된 Atomic sputter epitaxy (ASE) 법에 대해 소개하고 이전의 다른 연구들과 상반되는 atomically ultra-flat 한 단결정 금속 박막의 특성을 소개하고자 한다. 본 발표에서 소개할 단결정 박막과 관련된 몇 가지 중요한 물리적 이슈는 다음과 같은 질문에서 시작된다. 첫째, 구리에서의 산화는 제어되는 것인가? 산화 없는 구리는 만들 수 없는가? 둘째, 구리의 색은 왜 동색인가? 구리의 색을 빨주노초파남보 색으로 구현할 수는 없는가? 셋째, 회색이나 검은색의 금속 표면색이 가능할까? CuO와 같은 산화에 의한 색이 아닌 금속 만으로 검게 만들 수 있을까 ? 넷째, 금속 단결정 박막의 두께를 수 nm 까지 얇게 했을 때 어느 경계에서 bulk와 2D의 특성이 나타날까? 아주 얇은 구리 박막은 여전히 금속일까? 다섯째, 구리 박막이 얇아지면 극저온에서의 특성이 달라지는 경계가 있을까? 여섯째, 반사도 100%인 금속이 존재할까? 이런 의문들은 금속에 있어서 매우 fundamental 한 질문들일 것이며 본 발표에서는 이러한 질문들에 대한 답을 드리고자 한다.
구리 박막의 최대 약점은 산화가 된다는 것인데 이 산화가 왜 일어나는 지는 대체적으로 잘 알려져 있는 듯 하지만 microscale에서의 현상은 아직 잘 알려져 있지 않다. 본 연구를 통해 우리는 3년이 지나도 산화되지 않는 단결정 구리 박막을 성장하였고 이러한 antioxidative characteristics에 대해 조사하였다. 산화 되지 않도록 물질을 만드는 것은 역으로 산화가 되는 메커니즘을 이해해야 하는 것과 같다. 이러한 산화에 대해 잘 이해함으로써 인위적인 산화를 잘 통제하여 구리 박막의 표면색을 360가지로 다르게 만들 수 있다. 여기에 더하여 빨주노초파남보의 총천연색 뿐 아니라 구리 박막의 표면을 잘 조절하면 검은 색을 띠는 일련의 acrobatic colour도 다양하게 구현할 수 있다. 이 acrobatic colour는 CuO 등의 산화물에서 기인한 것이 아니라 완변한 Cu(111)으로 이루어져 있어 여전히 완벽한 금속의 전도성을 가진다.
구리가 금(Au)을 대체할 수는 없다. 구리를 아무리 좋게 만들어도 금과 같은 귀금속으로 비싸게 팔 수는 없을 것이다. 그러나 학문적 측면에서 구리가 금보다 연구할 가치는 더 높다. 그 이유는 구리가 단결정이 되면 분야별로 예상치 못한 일들이 수없이 많이 일어나기 때문이다.