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에너지변환 양자물질 연구실Quantum Materials for Energy Conversion Lab.
연구실 소개
최근에 발견된 사방정계 HfO2는 축소된 크기에서 강력한 강유전성을 활용하는 장치를 개발하도록 연구를 촉진했다. HfO2는 Si 기반 CMOS(Completeary Metal-Adoxid Semiconductor) 기법과의 호환성에 있어 기존의 페로브스카이트 강유전체에 비해 매력적인 장점을 가지고 있으며, 이외에도 상당한 강유전 분극을 가진 박막(약 10nm까지)으로의 확장성(크기가 작아져도 강유전성이 살아남음)을 갖추고 있다.
그러나 기존 페로브스카이트에 비해 단위가 하나 큰 보자력으로 인해 소자에는 차질이 있다. 강유전 분극 스위칭에 사용되는 큰 보자력으로 인해 HfO2 박막이 손상되어 전기 절연 파괴(electric breakdown)를 초래하고 내구성을 단축시킬 수 있다. 최근의 연구 경향은 다양한 도판트(dopants)를 사용하여 보자력을 줄이는 것에 초점을 맞추고 있다. 도판트(dopants)의 다양한 요인을 연구하여 볼륨 변화, 단사정계 상 분율(monoclinic phase fraction), 도판트(dopant) 크기 효과와 같은 것을 통해 보자력을 조정한다. 그럼에도 왜 일부 원소(Si 등)가 보자력을 현저하게 감소시키는지에 대한 메커니즘은 충분히 이해되지 않았다. 그러므로 우리는 도핑을 대체해서 HfO2의 보자력을 어떻게 줄일 것인가와 Si이 보자력을 낮추는 데 있어 왜 중요한 요소인가에 대해 제1원리 전산 모사를 사용하여 탐구한다. 나아가 수백 Tb 급에 해당하는 초고밀도 메모리 반도체 소재로 활용할 계획이다.
제1원리 밀도범함수이론 계산을 이용하여 물 분열의 병목인 산소진화반응(OER)을 중심으로 다양한 산화물 박막에 대한 화학적 활성을 탐구한다. 특히 표면의 반응성이 초기 단계와 최종 단계가 영향을 받지 않는 반면에 반응의 중간 단계에서 흡착된 시료에 의해 동적으로 유도된 전기 쌍극에 의해 조정된다는 것을 보여준다. OER 반응 소재 및 매커니즘을 규명하고자, 동적으로 유도된 쌍극자 및 epitaxial strain의 결합 효과를 이용하여, rate-limiting 열역학적 장벽을 강하게 감소시키고 반응의 효율성을 크게 향상시키는 연구를 진행하고 있다.
Nd2Fe14B는 예전부터 꾸준히 사용되어온 영구자석으로 높은 보자력과 자기모멘텀을 가지고 있다. Nd2Fe14B에 다른 희토류인 Tb, Ce, Y 등을 도핑 하는 시뮬레이션을 통해 도핑이 자기적 물성들에 어떠한 영향을 미치는지 분석하여 실제 도핑 시의 물성 변화를 예측하고, 이러한 예측을 바탕으로 보자력과 자기 모먼트를 높이면서도 원가를 낮출 수 있는 물질을 개발하고자 한다.