Origin of O 1s Core-Level
Shifts on Oxygen Adsorbed Si(111)-(7x7)
원자핵 가까이 강하게 구속되어 있는 속전자의 에너지 준위는 원소 별로 각각 구별되는 고유값을 가지므로 고체 내부의 원소들을 정확히 식별해 낼 수 있는 지문에 해당한다. 특히, 해당 원소의 고체내 화학적, 구조적 결합 상태에 따라 미세한 변이를 나타내기 때문에, X선-광전실험 (XPS)을 통해 측정되는 속전자 스펙트럼은 고체내 특정원소 근처의 원자간 결합구조에 관한 중요한 정보를 내포한다. 원자구조의 예측과 관련된 XPS 데이터의 유용성은 예상되는 평형구조와 그 속전자 준위를 함께 탐구할 수 있는 제일원리적 계산 결과와의 비교를 통해 극대화 될 수 있다.
본 연구에서는 O 1s 속전자준위의 제일원리적 전자구조계산 분석을 통해, Si(111)-(7x7) 표면에 산소분자가 흡착되어 형성하는 초미세 산화체의 화학조성 및 결합구조를 규명하였다.
산소분자의 표면흡착은 물질 산화의 첫 단계로서 실리콘표면의 산소흡착과정의 이해는 반도체 소자의 핵심부분인 실리콘산화막(SiO2) 형성과 관련된 기초기술 발전에 매우 중요하다. 그러나, 20여년의 집중된 연구에도 불구하고 O2/Si (111)계에서의 산소흡착구조를 밝히는 문제는 여전히 표면과학계의 현안으로 남아 있다. 특히, 산소흡착시 상온에서 관측되다가 400 K에서 사라지는 준안정적인 EELS, UPS, XPS 스펙트럼과 관련하여 준안정적인 상태로 표면에 존재하는 O2 분자의 가능성이 오래 전부터 제기되어 왔고 그 실체에 관해 논란이 많았는 데, 이러한 산소흡착분자의 존재 가능성은 본 연구진의 최근 연구에 의해 부정되었다 [Phys. Rev. Lett. 82, 968 (1999)]. 즉, 총에너지계산을 통해 Si(111) 표면에 흡착된 O2 분자는 준안정된 평형구조를 형성하지 못하고 바로 해리되어 표면 Si 원자들과 화학결합함을 보임으로써, 준안정적인 분자흡착구조 가능성에 대한 오랜 논란을 종식시키고 이 분야의 연구관심을 산소 해리흡착에 기초한 구조모형의 정립 문제로 환원시켰다.
본 연구에서는 산소분자들의 반응결과물로서 Si 표면원자에 결합하는 산소원자의 수를 최대 4개까지 포함하는 다양한 원자흡착 구조모형들을 체계적으로 검토하였다. 밀도범함수이론과 슈도퍼텐셜 밴드이론에 기초한 총에너지 계산을 통해 각 구조모형의 평형원자구조를 결정한 후 구조간 안정성을 비교하고, XPS 데이터를 통한 분광학적 테스트를 위해 각 평형구조에 대해 산소원자들의 결합위치에 따르는 O 1s 속전자 준위의 변화를 계산분석하였다.
주요 연구결과는 다음과 같다. (1) XPS 실험에서 관측된 400 K에서 사라지는 준안정적인 두 개의 피크의 에너지 준위 및 상대적 세기를 설명할 수 있는 유일한 구조로서, Si 표면원자를 중심으로 4개의 산소원자가 정사면체 구조로 결합된 SiO4 구조를 확인하였다. (2) 이 SiO4 구조에서 Si의 정점에 진공쪽으로 돌출된 산소원자의 결합은 에너지 면에서 준안정된 구조로 나타났으며 1.2 eV 의 에너지장벽을 넘어 더욱 안정된 구조로 전이하는 경로를 확인함으로써 앞에서 언급된 분광학 데이터의 400 K 준안정성을 정량적으로 해석하였다. (3) 상기 준안정적인 SiO4 구조로부터 파생되는 안정적인 구조는 정점의 산소원자가 Si 표면원자의 아래 쪽 빈 공간으로 이동하여 생기는 뒤집어진 SiO4 정사면체 결합구조에 해당하는데, 매우 흥미롭게도 이론적으로 예측된 이 구조의 실험적 증거를 XPS O 1s 속전자 스펙트럼에서 찾을 수 있었다.
본 계산결과로부터 산소분자의 흡착에 의한 Si 표면원자의 산화과정을 원자 수준에서 정확하게 기술할 수 있게 되었다. Si 표면원자에 반응한 첫 산소 분자는 준안정적인 분자흡착 구조를 형성하지 않고 구조적으로 매우 안정된 (즉, 두 개의 산소원자가 각각 Si-Si 결합사이에 강하게 화학결합하는) 해리흡착 구조를 형성한다. 이 구조의 Si 표면원자는 여전히 반응성이 높아 또 다른 산소분자의 흡착에 의해 준안정된 SiO4 구조나 안정된 SiO4 구조를 형성하게 되는데, 이 단계에 이르면 해당 Si 원자의 결합이 산소원자들에 의해 포화되어 반응성을 잃게 된다. 이러한 산화과정의 단계는, Si 표면원자의 영상이 첫 산소분자의 흡착 후 밝게 변하고 다음 분자의 흡착에 의해 어둡게 변하는 STM 관측 결과와 잘 부합한다.
요약하면, 본 연구를 통해 Si(111) 표면의 초기산화과정에서 O2 분자들의 흡착에 의해 형성되는 초미세 산화체의 산소 결합구조를 규명함으로써 그간 오래 축적되어 온 STM, EELS, UPS, XPS 등의 여러 실험결과들에 대한 통일된 이론해석을 제공하였다.
이성훈, 강명호 (포항공대)
Phys. Rev. Lett. 84, 1724 (2000)
Thermodynamic Phase Diagram of the Quantum Hall Skyrmion System
반도체 제작기술의 급속한 발전과 그에 따른 소자의 초미세화와 고집적화는 응집 및 통계물리학에서 많은 새로운 실험과 이론 연구를 유발시켜왔다. 인공적으로 제작된 평면이나 선 모양의 초미세 양자구조들은 현재 응집 물리학에서 초미의 관심이 되고 있는 저차원 전자계에 대한 연구들을 가능케 하였다. 저차원에서 전자들이 서로 접근함에 따라 상호작용이 커지면 양자효과가 더욱 극명하게 나타나며, 강상관 전자계가 형성된다. 지금까지 십 여년에 걸쳐 집중적으로 연구되어온 고온 초전도체의 여러가지 특성들도 이차원 CuO2 평면에서의 전자들의 운동에 의한 것이라고 믿어지며 강상관 전자계의 좋은 예이다.
본 연구는 반도체 이성구조에서 형성되는 이차원 전자계의 특이한 자기 전도특성인 양자 홀 효과에 관한 것이다. 자기장 B 하에서 전자들은 반경 l B＝ √ħ c/e B 의 사이클로트론 운동을 하며 이는 양자역학적으로 단진자 운동과 같아서 에너지 준위가 균등하게 양자화된다. 대응하는 에너지준위는 Landau 준위라고 하며 각 준위는 Zeeman 에너지에 의해 다시 스핀 평행과 반평행 상태로 나뉘어진다. 준위들의 축퇴도는 자기장의 세기에 비례한다. 자기장이 매우 강하면 모든 전자들은 가장 낮은 Landau 준위에 놓이며 운동에너지가 동일하게 축퇴되어 있기 때문에 본 계는 전자들 사이의 상호작용의 영향이 극대화된 이차원 강상관 전자계를 형성한다. 본 계의 전자들이 가장 낮은 Landau 준위, 즉 스핀 반평행 상태를 꽉 채우면 계에 Zeeman 에너지로 주어지는 전하들뜸 갭이 존재하며 정수 양자 홀 효과를 보여준다. 그러나 위의 설명은 전자들 사이에 존재하는 쿨롬 상호작용의 영향을 무시한 결과이며 일반적인 실험들에 의하면 Zeeman 에너지는 약 23 K 정도로 쿨롬 에너지 e2/ε0lB≈100 K에 비하여 훨씬 작다. 그러므로 본 계에 미치는 쿨롬 상호작용의 영향을 고찰해 보는 것은 매우 중요하다. 최근의 연구결과들에 의하면 Zeeman 에너지가 0일지라도 전자들 사이의 쿨롬 교환 에너지를 최소화하기 위하여 기저상태는 스핀들이 모두 평행하게 나열하며 강자성체를 형성하는 것으로 알려져 있다. 계의 들뜸상태는 스핀 평행 기저상태에 대하여 가능한 한 낮은 에너지를 소요하기 위하여 스핀의 방향이 국소적으로 부드럽게 변형된 스핀직물 상태이다. 본 계에는 두 종류의 낮은 에너지 들뜸상태가 존재한다. 에너지 갭이 없고 전하중성인 스핀 파동과 전자 전하를 가진 스커미온(skyrmion) 준입자가 있다. 스커미온을 만드는 데에는 유한한 에너지가 소요되며, 양자 홀 계의 전기전도에 기여하는 전하운반자로써 지금까지 다수의 실험들을 통하여 그 존재가 입증되고 있다.
본 연구에서는 다체 스커미온계의 온도와 자기장의 변화에 따른 상그림을 분자동력학 시늉내기법을 이용하여 고찰하였다. 이는 고온 초전도체에서 지금까지 활발하게 진행되어온 다체 vortex 계에 대한 연구와 그 맥락을 같이 하지만 스커미온은 전하와 더불어 스핀도 가지고 있기 때문에 보다 다양한 상그림을 형성하게 된다. 채움인수가 1인 스커미온 진공상태로부터 출발하여 자기장의 세기를 변화시키면 자기장이 스커미온의 화학적 위치에너지 역할을 하기 때문에 다체 스커미온 계를 형성하게 된다. 먼저 두 스커미온 사이의 상호작용의 세기를 상대적 스핀방향과 거리의 함수로 구하였다. 개략적으로 보면, 스커미온은 전자 전하량을 가지고 있기 때문에 쿨롬 반발력이 존재하며, 스핀들은 탄성에너지를 최소화하기 위하여 반평행 배열을 선호한다. 쿨롬 반발력은 장거리 상호작용으로 저밀도의 스커미온 계에 중요하며 스핀 의존 상호작용은 단거리 상호작용이다. 쿨롬 반발력은 에너지를 최소화 하기 위하여 vortex 격자와 같이 삼각 격자구조를 형성하려 하지만 스핀 의존 상호작용은 반평행한 스핀 배열을 가질 수 있는 사각 격자구조를 선호함으로써 계에는 frustration이 존재한다. 본 계의 상그림을 고찰하기 위하여 기존의 연구들은 소수의 고정된 격자구조를 가정한 후 기저상태의 에너지 크기를 비교하여 상그림을 구하였기 때문에 두 종류의 상충된 상호작용이 주는 frustration 효과를 정확히 이해하는 데에는 한계가 있었으며 아울러 열역학적인 특성들을 연구할 수 없었다.
본 연구에서는 무작위 Langevin 소음을 이용한 유한온도 분자동력학 시늉내기법을 이용함으로써 위의 문제점들을 해결할 수 있었다. 스커미온의 밀도가 낮으면 쿨롬 에너지를 최소화 하기 위하여 계는 삼각 격자를 형성하며 밀도가 커짐에 따라 스핀 의존 상호작용의 영향으로 사각 격자로의 상전이가 일어남을 볼 수 있었다. 아울러 사각구조 스커미온 결정의 녹는 온도 Tm≈50 mK를 처음으로
계산할 수 있었으며
이는 Bayot 등의
실험결과와 잘
일치함을
보여 주었다.
문경순(연세대), K. Mullen(Univ. of Oklahoma),
Phys. Rev. Lett. 84, 975 (2000).