물리학과 옥종목 교수는 부산대학교 나노과학기술대학 정세영 석좌교수팀, 카이스트 양희준, 김용관 교수팀 미시시피주립대학 김성곤 교수님팀과의 공동연구를 통해 2차원 구리에서 전자가 아닌 양공*이 지배적 수송자로 나타남을 보고하였다.

*양공 (hole): 응집물질물리학에서 양공(陽孔, 영어: electron hole 일렉트론 홀[*]) 또는 정공(正孔)은 반도체 (혹은 절연체)에 대하여 (원래 전자로 채워져 있어야 됨) 원자가띠의 전자가 부족한 상태인 준입자이다. 양공은 이 전자의 부족으로부터 생기는 구멍(상대적으로 양의 전하를 가지고 있는 것처럼 보임)이다.

본 연구를 통하여 구리와 같은 금속 내에서 낱알 경계에서의 수송자 산란으로 인해 수송현상의 본질적인 특성이 가려져 있었으며 낱알 경계가 전혀 없는 2차원 박막을 성장하는데 성공함으로써 2차원 구리의 본질적 수송 특성은 양공에 의한다는 것을 입증하였다.

구리는 전자를 주 수송자로 가지는 대표적 물질이다. 보통 구리 내에는 입방 cm 당 약 1023개의 전자가 존재한다. 구리의 전자에 의한 수송은 높은 전기전도도와 낮은 저항을 제공하기 때문에 일반적인 우리 생활속에서 매우 중요한 도체로서 활용이 되어오고 있다. 그러나 이 구리가 수십 나노 두께가 되고 결정립계**가 완전히 제거되면 2차원적 특성을 보이면서 전자들이 양공의 특성을 보이게 된다. 우리가 알고 있는 것처럼 3차원의 구리에서는 단결정이거나 다결정이거나에 관계없이 전자가 주된 수송자가 된다. 그러나 박막이 200 nm 두께에 이르면 서서히 전자가 양공으로 바뀌게 되고 낮은 온도에서는 이러한 현상이 더욱 두드러지게 나타난다. 40 nm 두께 이하의 단결정 구리 박막은 95% 이상의 수송자가 양공이 된다.

**결정립계: 다결정(polycrystalline)의 고체물질에서 물질을 구성하는 개별의 결정립들 사이의 계면 또는 경계. 결정립은 원자가 주기적으로 배열된 동일한 영역을 말하며 결정립계는 서로 다르게 배열된 두 결정립간의 경계에서 결정격자가 나란하지 않아 발생하는 2차원의 구조적 결함이다.

2차원 구리에서 양공이 지배적인 수송자가 되는 기원을 밝힌 이번 연구는 ‘Hole-Carrier-DominantTransport in 2D Single-Crystal Copper(2차원 단결정 구리에서 양공의 지배적 수송현상)’라는 제목으로 세계적인 재료과학 전문지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 온라인판 18일자에 발표됐다.

이번 연구는 교육부의 핵심연구지원센터 조성지원사업, 과학기술정보통신부 및 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 진행되었다.