Korea National Research Resource Center ③ 연구소재은행 양자전자소재은행 (Bank for Quantum Electronic Materials) 은행장 조병기 교수(광주과학기술원 신소재공학부) 주소 광주광역시 북구 첨단과기로 123(오룡동) 광주과학기술원 신소재공학부 313호 전화 062)715-2334 팩스 062)715-3594 이메일 chobk@gist.ac.kr 홈페이지 https://mse.gist.ac.kr/nsmml 60 화학세계 2015. 10
광주과학기술원양자전자소재은행 (Bank for Quantum Electronic Materials) 은행소개 양자전자소재은행은 2015 년도에연구소재지원사업의융합물질분야연구소재은행으로선정되었다. 본은행은양자현상을포함한특이성을보이는전자재료들의체계적인실험및이해를돕기위해다양한물질들을합성하고가능하면단결정형태로만들어관련된연구자들에게시료를제공하고공동연구를활성화하고자세워졌다. 관심있는물질들은강상관전자물질 (Strongly Correlated Electron Systems) 로지칭되는것들로서, 초전도현상, 무거운페르미온거동 (Heavy Fermion behavior), 양자임계점 (Quantum Critical Point), 위상절연현상등의성질들을연구하는데필요한물질들이다. 공동연구에필요한기초물성측정, 즉전기전도도, 자기적특성, 홀및열용량측정을 2-400 K 의온도구간에서수행하여기초데이터로제공한다. Magnetocaloric Effect Gd 5Ge 2Si 2 Mn 1-xFe xas NdCo 5 MnFePSi Non-Fermi Liquid MnSi, Cetin 5(T=lr, Co, Rh) CeNi 2Ge 2, CeCu 2Si 2, Celn 3 ZrZn 2, CeCu 6 Ge-Substituted YbRh 2Si 2 Te_Doped FeSb 2 MnP Quantum Critical Systems YbRh 2Si 2 CeRhin 5 Ce(Ru 1-xFe x)po Ce 1-xYb xcoln 5 CeNiAsO Key 다중양자질서계 Topological Insulator (Bi xsb 1-x) 2Te 3 Bi 2-xSb xte 3-ySe y Pb 1-xSn xse Bi 2Se 3 Bi 2Te 3 Sb 2Te 3 Bi 1-xSb x Thermoelectricity Superconductivity In 4Se 3 Mg 2Si 1-xSn x Mg 2Sn 0.75Ge 0.25 Tl 0.6Rb 0.4Fe 1.67Se 2 Nb 2Pd 0.81S 5 (Li 0.8Fe 0.2)OHFeSe YBa 2Cu 3O 7, MgB 2 BaFe 2As 2, CaFe 2As 2 SrFe 2As 2, R Ni 2B 2C β-ybaib 4 그림 1. 다중양자질서계 연구분야 양자전자소재은행에서는강상관전자계물질연구를수행하고있다. 1970 년대까지고체물리학의많은연구과제들은페르미액체이론을기반으로대부분많은것들이기술되고설명되었으나, 2000 년대응집물질물리학의큰흐름을주도하고있는고온초전도체, 무거운페르미온물질, 초거대자기저항, 저차원전자계등에서보이는현상들은기존의페르미액체이론으로는설명이불충분하여서비페르미액체이론이라고불리는새로운개념을도입하여고체의격자, 스핀, 전자궤도, 전하, 원자와전자간결합을이용하여물리적인해석을하고자세계적인학자들이노력하고있다. 현재까지연구된바에의하면특정한결정대칭에서스핀이반강자성, 또는강자성상호작용을할때자기적쩔쩔맴 (magnetic frustrated system) 이유도되고, 쩔쩔매는스핀이격자, 궤도, 전하자유도와상호작용하여특이한현상들이나타나새로운전자기적특성을유도한다. 최근급속하게발전을이룬위상절연체 (topological insulator) 는물질내부는절연체이면서표면은 2015. 10 화학세계 61
연구소재은행 전류가잘흐르는도체의성질을가지는독특한물질로서, 위상적으로보호되고있는표면상태에의해전자들이결함또는다른변동에의해산란되지않기때문에전자가움직일때저항이거의없다고예측되므로저소비전력소자로응용될것으로기대하고있다. 이러한새로운현상들이나타나는강상관관계연구에있어서핵심적인역할을수행하기위해가장기본이자최우선시되는것은시료의확보이기때문에초고순도결정성장에주력하고있다. 양자전자소재의중요성 응집물질물리학은특이한물리현상을보이는새로운물질의발견및개발과함께발전해왔으며, 특히강상관계물질에서발견되는이례적인물리현상들은새로운물리학의패러다임까지도요구하고있을만큼급속도로발전하고있다. 최근응집물질물리학의큰흐름을주도하고있는고온초전도, 무거운페르미온, 비페르미액체현상, 양자상변태, 위상적절연체등의성질을보이는물질들의대부분은금속간화합물로서이물질들의물리적특성들이물질의순도에아주민감한특징이있다. 따라서이러한물질들의단결정을확보하는것이관련분야의순수기초및응용연구에있어서필수불가결한요소가되고있다. 현재는미국이나일본의소수연구그룹이독점적으로생산, 연구하고있는실정이다. 본재료은행에서는특이한성질을보이는양자전자화합물단결정들을재결정방법으로초고순도물질로성장하여많은물성측정연구자들에게제공하고공동연구를활성화하여세계적으로선도적인응집물리연구를국내에서할수있도록하고자한다. 이러한물질에대한단결정의확보는세계적으로도시급하고국내의관련분야연구에절대적으로필요한사안이라할수있다. 이를통하여국내의여러물성측정및분석연구그룹간의공동연구를촉진할것이며나아가세계적인연구결과를도출할수있을것이다. 앞으로도다양한응집물질제조는연구의성패를결정하는중요한사안이될것이다. 따라서결정제작에필요한재료성원자재물품들을항시구비하여결정시료공급시일을단축하고, 더욱순도가향상된결정을성장하기위해장비를확충하여소재은행을운영하는것은아주중요할것이다. 보유소재 강상관관계물질로는붕소화합물계열의테트라붕소희토류화합물 (RB 4 ), 헥사붕소희토류화합물 (RB 6 ), 테트라붕소알루미늄희토류화합물 (RAlB 4 ) (R = 희토류금속 ) 등을단결정형태로보유하고있다. 예로는, 강자성체이며자기적폴라론 (Magnetic polaron) 현상이보이는헥사붕소유로퓸 (EuB 6 ), 도체-부도체상전이현상과위상절연체 (topological insulator) 성질이보이는헥사붕소사마륨 (SmB 6 ), 강자성체인헥사붕소칼슘 (CaB 6 ), 대부분반강자성이면서강한자기적이방성을나타내는테트라붕소사마륨 (SmB 4 ), 테트라붕소이터븀 (YbB 4 ) 등과복잡한다중자기적상변화현상을보이는테트라붕소알루미늄툴륨 (TmAlB 4 ) 단결정등이있다. 위상적절연체로는셀레늄화비스무트 (Bi 2 Se 3 ), 텔루륨화비스무트 (Bi 2 Te 3 ), 헥사붕소사마륨 (SmB 6 ) 단결정을보유하고있으며대표적인비페르미액체연구대상물질인저마늄니켈세륨화합물 (CeNi 2 Ge 2 ), 실리콘로듐이터븀화합물 (YbRh 2 Si 2 ), 실리콘구리세륨화합물 (CeCu 2 Si 2 ) 등의 122 계단결정과, 인듐전이금속세륨화합물 (CeTIn 5 ) (T = Ir, Co, Rh) 를포함한 155 계물질 그림 2. ( 위 ) 저온에서금속상태의표면을갖는콘도 - 위상절연체 SmB 6 단결정 ( 아래 ) 위상절연체 Bi 2 Se 3 단결정 62 화학세계 2015. 10
광주과학기술원양자전자소재은행 (Bank for Quantum Electronic Materials) 을본연구실에서고순도단결정합성이가능하다. 초전도결정으로는이붕화마그네슘 (MgB 2 ) 결정, 탄화붕소니켈희토류화합물 (RNi 2 B 2 C) (R = 희토류금속 ) 초전도단결정, 헥사붕소이트륨 (YB 6 ) 초전도단결정, 비소철기반고온초전도체인산화비소철희토류화합물 (RFeAsO) 를포함한산화닉토겐 (Oxypnictide), 비소철칼슘화합물 (CaFe 2 As 2 ) 와비소철유로퓸화합물 (EuFe 2 As 2 ) 을포함한 Pnictide 단결정, 무거움페르미온초전도인 (Heavy fermion superconductor) β-테트라붕소알루미늄이터븀 (β-ybalb 4 ) 단결정화합물, Pnictide 와같은 122 계결정구조를가지며세계최초로합성에성공한저마늄팔라듐스트론튬화합물 (SrPd 2 Ge 2 ) 초전도단결정을보유하고있다. 또한, 최근에본연구실에서세계최초로발견하여단결정형태로성장에성공한새로운자성초전도저마늄백금란타넘화합물 (La 2 Pt 3 Ge 5 ) 와저마늄백금프라세오디뮴 (Pr 2 Pt 3 Ge 5 ) 를보유하고있다. 대표적논문실적 (2015 년상반기 ) ⅰ) Importance of Charge Fluctuations for the Topological Phase in SmB 6, Physical Review Letters, 2014, 112, 226402 고체물질의직접적인자성을측정하는각분해광자방출분광법 (angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES) 를통하여 X point 에서의혼합된 d-f 밴드가페르미에너지로부터점차이동하는모습을보임으로써전하의요동침 (charge fluctuation) 가헥사붕소사마륨 (SmB 6 ) 의위상절연상태의원인임을보고함. ⅱ) Terahertz single conductance quantum and topological phase transitions in topological insulator Bi 2 Se 3 ultrathin films, Nature communications, 2015, 6, 6552 위상절연체내의강한스핀-오비탈상호작용과시간반전대칭 (time-reversal symmetry) 가만들어내는특이한양자적상태중하나인스핀홀효과와위상절연체상태로의전이등에대하여, 셀레늄화비스무트화합물 (Bi 2 Se 3 ) 의테라헤르츠영역대의분광학조사를통해위상절연체상태로의전이의증거와 2.9 % 의흡수율을가짐을보고함. ⅲ) Anomalous weak ferromagnetism in the magnetically frustrated system R 1-x Y x B 4 (R = Tb and Dy), Physical Review B, 2015, 91, 024414 테트라붕소희토류화합물에이트륨원소를치환한 (R 1-x Y x B 4 ) 단결정의자기적특성분석으로부터비자기원소인이트륨의농도가증가할수록특정축에대하여약강자기성의전이가반강자성전이온도에서나타남을관찰하며이는샤스트리-서덜랜드격자구조 (Shastry-Sutherland lattice) 를가지는자기적쩔쩔맴계 (magnetic frustrated system) 내에서약강자성이나타남을실험적으로보고함. 은행구성원소개 본양자전자소재은행은은행장인광주과학기술원신소재공학부조병기교수이하연구원들이주축이되어운영되고있다. 조병기교수는결정의물성관련연구에힘써왔으며지금까지총 290 여편의 SCI 논문발표했다. 신결정연구팀과결정공급팀및관리팀의체제로조직되어있으며소재의확보에서공급까지국내외연구자들로부터공급의뢰를받아최대한신속하고최상의결정을공급하도록운영되고있다. 2015. 10 화학세계 63
연구소재은행 앞으로양자전자소재를필요로하는연구기관및대학에소재에관한정보제공을비롯하여맞춤형서비스를제공하여적시적소에원활한소재공급을위해주력한다. 나아가, 수요자와적극적으로활발한연구활동을통하여학문적, 산업적으로파급효과증대에기여할수있기를희망한다. 총괄업무 교수 행정업무 은행행정직원 외부협력자문 미국 Ames 연구소 신결정연구팀 박사연구원 1 박사과정연구원 3 석사과정연구원 1 결정공급팀 박사과정연구원 3 석사과정연구원 1 그림 3. 양자전자소재은행조직구성 Bank for Quantum Electronic Materials 특이성질을보이는금속간화합물단결정합성과물성분석을수행하며, 외부연구진들에게우리나라에서도초고순도결정제조와공급이충분히가능하다는자긍심을불러일으킬수있고, 후학들에게도동기부여를일으켜기초연구분야에뛰어들어도전하고싶다는좋은본보기가되고자합니다. 양자전자소재은행의은행장인조병기교수는서울대를졸업한후미국어번대학교에서고체이론물리학으로석사학위를받았다. 이후미국아이오와주립대학교에서자성과초전도성이공존하는 RNi 2 B 2 C(R = rare earth 희토류 ) 의단결정합성에세계최초로성공하는등물질합성및특성분석에관한연구를활발하게수행하여응집물리학으로박사학위를받았다 ( 지도교수 D. C. Johnston). 코넬대학교에서고체화학분야연구로박사후연구원과정을수행한후, 포항공과대학교에서연구교수를거쳐, 2000 년 은행장ㅣ조병기광주과학기술원신소재공학부교수 도에광주과학기술원신소재공학부에부임하였다. 현재까지다양한자성재료에대한연구를꾸준히수행하여총 290 여편의논문을저명한국제학술지에발표하였다. 이러한성과를바탕으로 2006 년과학의날에국무총리표창, 2015 년과학의날에는대통령표 창을수상하였으며, 현재한국물리학회 (Current Applied Physics) 편집위원과한국과학기술기획평가원의자문위원직책을역임하고있다. * 본홍보물은과학문화확산을위한홍보로써미래창조과학부와한국연구재단의 연구소재지원사업 으로운영되고있습니다.(NRF-2015M3A9B8032703) 64 화학세계 2015. 10