연구 주제

금속 산화물

산화물 표면이 결정상, 두께, 산소 화학 퍼텐셜, 그리고 기판에 따라 어떻게 달라지는지 연구합니다.

벌크 산화물은 전기전도도가 낮거나 구조가 복잡해 원자 수준 실험의 결과를 명확하게 해석하기 어려운 경우가 많습니다. 금속 위에 성장시킨 잘 정의된 산화물 박막은 이러한 문제를 줄여 줍니다. 금속 기판은 전기전도도를 제공하고, 박막은 산화물 고유의 배위 구조와 결함, 흡착 자리, 상변화를 유지합니다.

지르코니아는 이 연구를 위한 대표적인 모델 시스템입니다. 동일한 구조를 대상으로 박막 성장, 원자분해능 현미경, 분광법, 밀도범함수 계산을 비교할 수 있습니다. 이를 기반으로 종단면과 결함 화학이 더 강하게 결합된 극성 및 환원성 페로브스카이트 산화물로 연구를 확장하고 있습니다.

박막 두께가 지르코니아 표면 구조를 결정합니다.

Rh(111) 위 ZrO₂ 박막은 한 번에 벌크 구조로 변하지 않습니다. 두 층에서 네 층까지는 기판의 영향을 받은 재구성 구조가 나타나고, 약 다섯 층에서는 정방정계의 줄무늬 구조가 형성됩니다. 더 강한 열처리 후에는 단사정계 도메인이 관찰됩니다. 따라서 박막의 두께와 열처리 이력은 부수적인 시료 정보가 아니라 표면상을 선택하는 핵심 변수입니다.

Rh(111) 위 지르코니아 박막의 정방정계 줄무늬 구조 STM 이미지 — Rh(111) 위 5층 ZrO₂ 박막의 정방정계 줄무늬 구조. Lackner et al., Surface Science (2019)에서 발췌·편집.

담지 금속은 박막의 화학적 성질을 보여줍니다.

금속 원자는 모든 지르코니아 표면에서 같은 방식으로 핵생성하지 않습니다. 클러스터의 밀도와 선호 흡착 자리는 증착한 금속의 종류와 산화물 구조에 따라 달라집니다. 예를 들어 Au 섬의 위치와 전하 상태는 국소 지르코니아 환경의 영향을 받습니다. 이러한 모델 계면을 이용하면 원자 구조와 금속–산화물 상호작용을 직접 연결할 수 있습니다.

초박막 지르코니아 위 금 클러스터의 STM 이미지 — 초박막 지르코니아 위 Au 클러스터의 STM 이미지. Choi et al., J. Phys. Chem. C (2016)에서 발췌·편집.

금속 기판도 반응에 참여합니다.

환원 조건에서는 Rh, Pt, Ru 위의 ZrO₂ 입자 주변으로 비화학양론적 초박막 지르코니아가 퍼지고, 산화하면 원래 상태로 되돌아갑니다. 이때 Zr은 형식적으로 Zr⁴⁺를 유지하고 여분의 전자는 금속 기판으로 이동합니다. 이 가역적인 피복 현상은 강한 금속–지지체 상호작용을 구조적으로 보여주며, 산화물 아래의 전자 저장고를 수동적인 기판으로만 볼 수 없음을 나타냅니다.

두꺼운 지르코니아 섬 주변에 형성된 초박막 지르코니아 STM 이미지 — 환원 후 두꺼운 ZrO₂ 섬 주변에 형성된 초박막 지르코니아. Lackner et al., J. Mater. Chem. A (2019)에서 발췌·편집.

극성 페로브스카이트에는 새로운 경계 조건이 더해집니다.

Setvin 연구팀은 절단한 KTaO₃(001)가 여러 표면 구조를 통해 극성을 보상할 수 있음을 보였습니다. 열처리하면 폭이 네다섯 원자인 KO와 TaO₂ 줄무늬가 교대로 형성되고, 물에 노출하면 수산화된 표면층이 만들어집니다. 이 결과를 S² Lab의 기존 성과로 제시하는 것은 아닙니다. KTaO₃와 SrTiO₃에서 앞으로 다루고자 하는 원자 수준 극성 산화물 문제의 좋은 출발점입니다.

KTaO3(001)의 원자 규모 KO 및 TaO2 미로 구조 AFM 이미지 — 열처리한 KTaO₃(001)의 원자 규모 KO/TaO₂ 미로 구조. Setvin et al., Science (2018)에서 발췌·편집.

현재 연구

잘 정의된 페로브스카이트 산화물 표면으로

S² Lab은 KTaO₃와 SrTiO₃ 표면을 대상으로 기체, 물, 전기적 바이어스, 온도를 제어하는 연구를 준비하고 있습니다. 우선 재현성 있는 종단면을 만들고, 그 원자 구조를 국소 전자·기계 물성과 연결하는 것이 가까운 목표입니다.