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Ceramist > Volume 22(1); 2019 > Article
강상관계 소재를 이용한 수소 센서 및 수소 뉴로모픽 소자

Abstracts

The metal-to-insulator transition (MIT) with external stimuli is one of the main issues in correlated oxides. The physical properties are extremely sensitive to band filling, because the MIT is attributed to the strong correlation between electrons in narrow d-band. Since hydrogen is the smallest and lightest element, it is not only likely to doped reversibly in oxides, but also acts as a dopant to provide electrons. The correlated oxides showing MIT are structurally expanded after hydrogenation, and their electrical properties are drastically changed. Researches on this phenomenon have been actively carried out to date. They are of great scientific importance, and the use of this material is very diverse, including the development of next-generation hydrogen sensor, or hydrogen-based neuromorphic devices.

1. 서론

수소는 가장 작고 가벼운 원소이기 때문에 소재 내에 가역적으로 쉽게 들어갈 뿐만 아니라 소재 내에서 이온화되면서 전자를 제공하는 도펀트 역할을 할 수 있다. 예를 들어 SrCoO3, WO3와 같은 산화물 격자내에 수소가 도핑되어 산소 이온과 결합하거나 산소 정공 위치를 차지하면서 전자를 제공하고 n-type 전도도를 보이는 결과와 이를 응용한 전기화학 소자 개발에 관련된 연구 결과들이 있었다1,2). 하지만 이러한 산화물의 특성은 전자 도핑에 민감하지 않기 때문에 소자로 이용하기에는 어려움이 있다.
강상 관계 소재는 d-밴드의 최외각 전자 간의 강한 상호작용으로 인해서 다양한 전기적 상이 존재하고, 열, 전압, 화학 도핑 등의 외부 자극에 의해 금속-절연체 상전이(MIT)를 보이고 저항이 급격하게 변한다3,4). 특히 외부 전압 및 원자 결함을 제어해서 d-밴드 채움(band filling)의 변화로 인해 급격한 전기적 특성 제어가 가능하다57). 기존의 반도체 물질들에서는 얻을 수 없었던 강상 관계 소재에서의 외부 자극에 극도로 민감한 전기적 특성 제어는 현재의 전자 소자 특성을 능가하는 미래 소자 개발의 가능성을 보여주었다.
강상 관계 소재인 VO2ReNiO3 (Re=희토류 금속)는 MIT를 보이는 대표적인 물질로810) 수소가 도핑 되면 구조적 상전이와 함께 급격한 저항 변화가 나타난다57). 이 현상은 수소 이온 도핑에 의한 구조 변화 및 강상 관계 소재의 d-밴드 채움으로 인한 금속-절연체 상전이에 의한 것이기 때문에 소재의 저항이 수소 도핑량에 매우 민감하게 변한다. 이 결과는 향후 극도로 민감한 수소 센서 및 저전력 전자 소자의 개발 가능성을 보여주고 있고 현재 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다.

2. 본론

2.1 VO2의 수소 도핑

VO2는 저온에서는 단사정계(monoclinic)구조의 절연체, 그리고 고온에서는 루틸(rutile) 구조의 금속 성질을 보인다. 최근 연구에서는 VO2 박막의 과량의 수소화를 통해 구조적, 전기적 절연체-금속-절연체 상전이를 보였다6,7). (0001)-Al2 O3 및 (100)-TiO2 단결정 기판에 VO2 박막을 증착한 뒤 표면에 스퍼터를 이용해서 나노 크기의 Pt 입자 촉매를 성장시키면, 나노 크기의 Pt는 수소 분자가 해리될 때의 에너지를 현저히 감소 시키는 촉매로써 작용한다(Fig. 1a). 그 후, Pt/VO2 박막을 5% H2/95% Ar 혼합 가스 분위기에서 열처리를 하면 수소를 VO2 박막 내로 도핑된다.
Fig. 1.
a) Deposition and hydrogen doping process of VO2 thin film at low temperature. b) Sheet resistance as a function of time during hydrogenation process. c) XRD structural analysis of VO2/Al2 O3 and d) VO2/TiO2 thin films before and after hydrogenation.
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수소화에 따른 X-선 회절(XRD) θ – 2θ 분석 결과, (0001)-Al2 O3 및 (100)-TiO2 기판에 증착된 VO2 박막의 2θ 값이 3.5° 가량 왼쪽으로 이동한 것을 확인하였고, 이것은 기존 연구의 2θ 값 이동(∼0.4°)보다 크게 이동했다 11) (Fig. 1b and c). 이것은 나노 크기의 Pt의 촉매 특성이 극대화 되어서 과량이 수소가 도핑되었기 때문이다. 픽이 왼쪽으로 이동한 것은 격자가 팽창한 것을 의미하는데 그 이유는 도핑된 수소가 V 이온에 전자를 제공하면 V 이온의 원자가가 V4+에서 V3+로 변하면서 이온 반지름이 커졌기 때문이다. X-선 회절 픽의 강도는 수소화 후에 오히려 커졌다. 즉, 격자 내 수소 이온의 일정한 ordering과 강한 채널링의 결과로 수소화 이후에도 고품질의 결정 상을 유지하는 것을 확인했다.
VO2 박막의 in-situ 면저항을 시간에 따라 측정한 결과(Fig. 1b), VO2 박막의 면저항이 R S ∼ 100 ㏀/ 에서 수소를 주입하자마자 저항이 103배 감소해서 금속상으로 변화하였고, 이후에 저항이 105배 다시 증가해서 금속상에서 절연체상으로 전이했다. 이는 수소를 과량 함유하고 있는 HVO2가 절연체상임을 나타내고 있다. VO2의 수소화는 도핑된 수소의 농도에 따라 절연체-금속-절연체로 상전이가 일어났다. 많은 양의 수소가 도핑될 때 금속-절연체 상전이가 일어나는 이유는 다량의 전자가 VO2의 좁은 t2g 밴드를 채우고, 전자간의 상호작용이 커지게 되며, 결국 HVO2가 되었을 때에는 밴드갭을 형성하여 금속에서 절연체 상태로 상전이를 한 것으로 보인다. VO2의 수소화는 51.71 g/L의 수소를 가역적으로 저장 가능하고, 수소 저장 소재로서의 가능성을 보여주고 있다. 또한, 기존의 금속 수화물 기반의 수소저장 소재보다 화학적 안정성, 가역성 측면에서 장점이 있는 소재로 발전될 수 있다. 그리고, 수소화 이후 결정상을 유지해서 안정적이고, 저항 변화가 급격하게 일어나기 때문에 수소 센서 및 전자소자로의 응용이 가능하다는 것을 알 수 있다.

2.2 VO2 수소 도핑을 이용한 수소 센서 및 전기화학 트랜지스터 응용

앞서 보여준 VO2의 MIT 현상을 이용한 수소 센서 개발에 관한 연구 결과가 있었다12). 일반적인 물리증착법 (Physical vapor deposition)으로 나노크기의 VO2 기둥을 SiO2 기판에 증착하면 [001] R 방향으로 긴 기둥이 증착된다. 그리고 아래의 SiO2 층을 습식 식각 하면 압축응력을 받고 있던 기둥이 위로 구부러진다(Fig. 2b). 이 때 VO2의 양단에 금 촉매 전극을 증착한 뒤 온도에 따른 전도도를 측정하면(Fig. 2a) 뚜렷한 MIT를 보인다. 그런데 수소분위기에서 고온 열처리를 거치면 구부러졌던 기둥이 펴지는데(Fig. 2c) 이것은 [001] R 방향으로 격자가 수축했기 때문이고, VO2가 단사정계에서 루틸 구조로 상전이 한 것을 의미한다. 또 VO2의 절연체 상의 전도도가 급격하게 증가하면서 MIT가 사라지는데 이러한 급격한 전기적 특성 변화는 수소 센서로의 응용 가능성을 보여준다.
Fig. 2.
a) Conductance of VO2 as a function of temperature before and after hydrogenation. b) SEM image of VO2 nanobeam before and c) after hydrogenation. d) Schematic of VO2 gas sensor. e) Current-voltage curves of VO2 in various Ar pressure. f) Response ΔV. of VO2 gas sensor as a function of pressure in various gas.
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VO2가 MIT 온도 부근에서 민감한 전기적 특성을 가지는 것을 이용한 다른 방식의 가스 센서도 구현되었다13). 나노크기의 VO2 기둥의 양끝단을 Ga-In-Sn 액체합금에 고정시킨 뒤 히터로 적절하게 가열하면 VO2로 가해지는 열과 대기로 빠져나가는 열이 평형을 이루면서 온도가 MIT 온도로 유지된다(Fig. 2d). 이 때 VO2의 전류-전압 곡선을 측정하면 전압이 증가함에 따라 줄 발열(Joule heating)에 의해 VO2가 절연체-금속 상전이를 보이면서 곡선이 급격하게 꺾이는데 이 때의 전압을 V+MIT라고 한다(Fig. 2e). 그런데 대기 분위기가 Ar 1.5 Torr에서 560 Torr까지 변하면 대기로 빠져나가는 열이 증가하기 때문에 V+MIT가 오른쪽으로 이동하게 되는데 이렇게 이동한 V+MIT를 Response ΔV라고 정의했고, 이를 통해서 대기 분위기를 감지할 수 있다. 마지막으로 가스 종류와 압력에 따라 Response ΔV를 측정한 결과 소자가 수소 분위기에 가장 민감한 특성을 보였다(Fig. 2f).
VO2의 가역적 수소화를 전기화학적으로 유도해서 저항 변화를 유도하는 트렌지스터 소자를 개발해서 절연체-금속 상전이를 구현한 연구가 활발하게 진행되었다 1416) (Fig. 3). 3단자 트렌지스터 소자에서 습한 공기를 수소 전해질로서 이용했을 때 게이트 전극에 양전압을 인가하면 양이온인 실리카 층에서 수소이온이, 소스 혹은 드레인 전극에서 전자가 VO2 채널층으로 도핑된다16). 반대로 게이트 전극에 음전압을 인가하면 수소 이온과 전자가 VO2 채널층에서 실리카 층과 소스 혹은 드레인 전극으로 빠져나간다. 100 V의 게이트 전압을 인가하면 VO2 채널의 저항이 초기값의 0.75배로 감소하는 절연체-금속 상전이가 관찰되었다. (Fig. 3b). 또 12CaO7 Al2 O3 (CAN)을 수소 전해질로 이용해서 트렌지스터 소자를 제작한 뒤(Fig. 3c), 게이트 전압을 35 V까지 인가하게 되면 VO2 층의 면저항이 감소하는 절연체-금속 상전이가 나타났다15). 두 연구 결과에서 앞의 논문에서 나타났던 절연체-금속-절연체 상전이가 나타나지 않은 이유는 충분한 양의 수소가 VO2 층으로 공급되지 못했기 때문이다. 최근 소자의 게이트 전극을 고체 수소 전해질로 많이 이용하는 실리카를 사용해서 소자를 제작한 뒤 게이트 전압을 인가함으로써 VO2 채널층에 효과적으로 수소를 도핑한 연구 결과가 있었다(Fig. 4a). 게이트 전압을 0V 에서 2 V로 스윕하면 전도도가 증가하는 절연체-금속 상전이가 나타났고, 2 V에서 −2 V로 스윕하면 전도도가 감소하는 금속-절연체 상전이가 나타났다(Fig. 4b). 그리고 게이트 전압을 0 V 에서 3 V로 스윕하면 전도도가 증가했다가 다시 감소하는 절연체-금속-절연체 상전이가 보였고, 다시 3 V에서 −3 V로 스윕하면 또다시 전도도가 증가했다가 감소하는 절연체-금속-절연체 상전이를 보였다(Fig. 4c). 이 현상은 VO2 박막을 열처리로 수소화 한 결과와 일치했고, VO2에서의 수소 이온 이동 기반 저전력 전자 소자 개발의 가능성을 보여주었다.
Fig. 3.
a) A schematic of transistor using wet air as a proton electrolyte. b) Resistance change of VO2 with time as applying gate voltage. c) A schematic diagram and d) top view of a transistor using CAN as a proton electrolyte. e) Cross section image of Ti (50 nm)/ CAN (200 nm)/VO2 (20 nm)/sapphire substrate taken by HAADF-STEM. f) The sheet resistance change of VO2 with gate voltage.
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Fig. 4.
a) Structure of electrochemical transistor using hydrogenation of VO2. b) Channel conductivity with gate voltage sweep from −2 V to 2 V and c) −3 V to 3 V.
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2.3 ReNiO3의 수소 도핑

또다른 강상 관계 소재인 ReNiO3는 페로브스카이트 구조를 보이고 e g 밴드에 존재하는 단일 전자들 간의 강한 상호작용으로 인해서 전이 온도에서 급격한 MIT 를 보이는 것으로 잘 알려져있다. 최근 ReNiO3 중 하나인 SmNiO3 (SNO)에서 수소 도핑에 의해 상전이를 일으키는 것을 관찰했다5). (001)-LaAlO3 단결정 기판과 표면이 산화된 Si 기판 위에 단결정으로 증착된 SNO 박막 표면에 100 nm 두께의 Pt 촉매 전극을 증착한 뒤에(Fig. 5a), 5% H2/95% Ar 혼합 가스 분위기에서 열처리를 통해 수소화를 진행했다(Fig. 5b). 그 결과, 수소화 이후 Pt 전극 주변의 박막의 색이 투명해지면서 상온에서 저항이 108배만큼 증가했고(Fig. 5c), X-선 광전자 분광법으로 Ni 이온의 원자가가 Ni3+에서 Ni2+로 변한 것을 확인했다. 이 현상은 수소 원자에서 니켈 이온으로 전자가 이동해서 Ni2+에 고정되면서 페르미 준위 부근에 밴드갭이 형성되고, 공급된 전자가 e g 밴드를 채우면서 전자간 상호작용이 커지면서 저항이 증가한 것으로 설명할 수 있다. 수소화 된 SNO의 구조 변화 분석을 위해 방사광 가속기 집속 XRD를 이용해서 Pt 촉매가 패턴된 SNO 박막 표면에서 A, B, C, D 각 지점(Fig. 6b)의 θ – 2θ 분석을 진행했다. 그 결과, 수소화 이후 Pt 촉매로부터 먼 지점인 A 에서는 SNO 픽 (1)만이 관찰됐다. 반면에, Pt 촉매 주변인 B, C, D 지점에서 원래의 SNO 픽 (1)의 왼쪽에서 새로운 픽(2)이 나타났는데(Fig. 6c), 이것은 수소가 들어가면서 SNO 수직 방향 격자가 팽창하면서 새로운 상인 H-SNO를 형성한 것을 보여준다. 이 현상을 더 쉽게 보기 위해 Pt (111) (q z=2.78Å-1) (Fig. 6d), SNO (q z=3.18Å-1) (Fig. 6e), H-SNO (q z=2.98Å-1) (Fig. 6f) 픽의 평면 분포를 각각 측정했다. 그 결과, H-SNO 상이 Pt 촉매 주변의 SNO에서만 관찰되었고(Fig. 6f), SNO 상은 Pt 촉매로부터 멀리 있는 SNO에서만 관찰되었다(Fig. 6e). SNO 격자가 수소화 후 팽창한 이유는 Ni 이온의 원자가가 Ni3+에서 Ni2+로 변하면서 이온반경이 커지기 때문이다(Fig. 6a).
Fig. 5.
a) Structure for hydrogenation of SNO thin films. b) A schematic diagram of the hydrogenation process of the SNO thin film. c) Resistivity according to temperature before and after hydrogenation.
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Fig. 6.
a) Principles of lattice expansion after SNO hydrogenation. b) OM imgae of SNO thin film for hydrogenation. c) Synchrotron XRD results at each points A, B, C, and D. d) Distribution of Pt, e) SNO, and f) H-SNO phases.
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2.4 ReNiO3의 수소 도핑을 이용한 수소 센서 및 뉴로모픽 소자 응용

SNO의 수소화는 급격한 저항 변화 현상을 동반하는 상전이를 보이기 때문에 전기화학 분야로 응용이 가능하다. 페로브스카이트 구조의 부도체 산화물은 수소 전도도가 높기 때문에 고체 수소 전해질로 쓰이는 물질이 많이 있다17). SNO는 수소 이온이 도핑 되면 전자가 Ni 이온으로 고정되면서 Ni2+를 형성하고, 전하의 이동이 차단된다. 전하 전도도가 매우 낮기 때문에 높은 이온전도도를 보일 것으로 기대할 수 있는데 이를 확인하기 위해 SNO 를 전해질로 이용한 연료전지를 제작했다. SNO 박막의 양면에 다공성 Pt 전극을 증착한 뒤, 양극에는 수소 가스를, 음극에는 산소 가스를 흘려준 상태에서 500℃에서 연료전지의 일반적인 전류-전압 곡선을 측정하였다. 그 결과, 최대 225 mW/cm2의 전력 밀도(power density) 를 보였다18). 측정 온도가 산소 이온이 이동하기에는 낮은 온도이기 때문에 SNO 층을 통해서 산소 이온이 아닌 수소 이온이 이동했다는 것을 알 수 있다. 그리고 SNO 박막의 수소 전도도를 300 ℃에서 500 ℃의 온도범위에서 측정한 뒤에 이것을 아레니우스 그래프로 그린 결과, 수소 이온 전도도는 이전의 가장 전도도를 보였던 BZY 박막과 비교해서 비슷한 수준을 보였다. 이 그래프의 기울기를 통해 수소 전도에 필요한 활성화 에너지를 계산해보면 약 ∼0.3 eV의 낮은 활성화 에너지를 확인할 수 있다. SNO 에서의 우수한 수소 전도도와 낮은 확성화 에너지를 통해 저전력 전기화학 소자로 응용하기 적합하다고 기대할 수 있다.
SNO의 전기적 특성은 수소화에 민감하게 반응하기 때문에 극도로 민감한 센서 개발이 가능하다. 최근 연구에서는 NaCl 전해질을 이용한 3단자 전기화학 트렌지스터를 제작한 뒤 게이트 전극에 전압이 인가됐을 때(Fig. 7a), 수소 이온이 SNO 층으로 도핑되어 저항이 변하는 특성을 이용해서 바다에서 전기 퍼텐셜을 감지하는 센서를 개발했다19). 이 때, SNO층의 저항은 안정적이고 가변적으로 변했고 최대 105배 증가했고, 저항 변화의 크기는 게이트 전압에 비례해서 증가했다(Fig. 7b). 게이트 전압에 따라 SNO의 저항 변화 폭을 그래프로 그린 뒤에 추세선을 그리게 되면 전기 퍼텐셜의 측정 한계를 유추할 수 있는데, 저항 변화의 측정 한계가 100 nΩ이라고 한다면 측정할 수 있는 전기 퍼텐셜은 최소 4.5 μV이다. 이 값은 대부분의 배와 해양생물을 포함하기 때문에 소자가 충분히 민감하게 동작한다고 할 수 있다(Fig. 7c).
Fig. 7.
a) A schematic diagram of the operating principle of the SNO electrochemical transistor. b) Channel resistance and thin film color change with gate voltage. c) Resistance change with gate voltage and the limit of electrical potential measurement.
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SNO가 수소화 되기 위해 필요한 활성화 에너지를 Ab initio molecular dynamics로 계산한 결과 0.9 eV의 에너지가 계산되었고(Fig. 8a), 이것은 SNO 내부에 산소 vacancy 형성에 필요한 에너지(2.95 eV) 의 1/3배이다. 따라서, SNO가 수소화 과정에서 산소 vacancy를 형성하기보단 수소 이온을 형성하는 것이 더 안정함을 알 수 있다. 수소 이온이 SNO 내부에서 이동에 필요한 에너지를 계산한 결과 0.27 eV로 기존의 측정값과 유사했다. 그리고 SNO 단위 셀에 수소가 1/4, 1/2, 3/4, 1개 도핑됨에 따른 상태 밀도(density of states)를 계산하였는데 (Fig. 8b), 수소에서 나온 이온이 unoccupied Ni-O states에 고정되면서 페르미 준위 부근에서 밴드갭이 3 eV 정도로 크게 증가하는 것으로 계산되었다. SNO의 전기적 특성이 수소화에 민감한 이유는 이러한 낮은 수소 이온 이동의 활성화 에너지와 큰 밴드갭 증가로 설명할 수 있다.
Fig. 8.
a) Calculated barrier energy for hydrogen doping at the SNO surface. b) Density of states of SNO with different hydrogen concentrations.
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ReNiO3 중 하나로 잘 알려진 NdNiO3 (NNO)의 수소화를 이용한 Resistive random의 access memory (ReRAM) 소자 연구도 진행되었다20). (001)-LaAlO3 단결정 기판에 증착된 NNO 박막 위에 정사각형의 Pt 촉매 전극 (H-Pt)을 증착한 뒤 수소 분위기에서 열처리를 하면 전극 주변 영역의 NNO에 수소가 도핑된다(Fig. 9a). 그런 다음 H-Pt에서 약 700 μm 정도 떨어진 지점에 Pt 전극 (NH-Pt)을 증착하면 NNO 박막 내에 비대칭 수소 농도가 구현된다. NH-Pt와 NH-Pt 전극 간에 전류-전압 곡선을 측정하면 일반적인 오믹 곡선이 관찰되는데 이것은 NNO가 전기적으로 금속 성질을 보이기 때문이다 (Fig. 9b). 반면에 H-Pt와 H-Pt 전극 간에 전류-전압 곡선을 측정하면 전류값이 현저히 낮아지고 쇼트키 접촉 (Schottky contact) 곡선이 관찰되는데 이것은 NNO에 수소가 도핑되면서 절연체 성질을 보이기 때문이다. H-Pt와 NH-Pt 전극을 연결해서 H-Pt 전극에 양전압을 인가하면 H-Pt 전극에서 NNO 박막으로 수소 이온이 이동해서 NNO내의 수소 농도가 증가하고 전류가 감소한다. 반대로 H-Pt 전극에 음전압을 인가하면 NNO 박막에서 H-Pt 전극으로 수소 이온이 이동하면서 NNO 박막 내의 수소 농도가 감소하고 전류가 증가한다. 따라서 전류-전압 곡선에서 시계방향의 이력곡선이 관찰되었다. 음전압 스윕 폭을 늘리면서 전류를 측정하면 전류가 멀티레벨로 점점 증가했고, 양전압의 스윕 폭을 늘리면 전류가 점점 감소했다(Fig. 9c). 일정한 전압 펄스를 반복적으로 인가한 결과 멀티레벨 비휘발성 전류 스위칭을 관찰했다(Fig. 9d). NNO의 수소화를 이용한 스위칭 특성은 고용량 데이터 처리가 가능한 멀티레벨 스위칭 소자로 응용 가능하며, 기존의 디지털 컴퓨팅의 한계를 뛰어넘어, 지능형 병렬처리 시스템을 하드웨어 수준에서 구현 가능한 저전력 스위칭 소자에 핵심 소재로도 주목 될 수 있다21).
Fig. 9.
a) A schematic of the NNO ReRAM device fabrication process. b) Current-voltage hysteresis curve of the device. c) Current-voltage characteristics with different voltage sweep width. d) The change of current according to the number of pulse voltage application.
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3. 결론

MIT를 보이는 강상 관계 소재는 공통적으로 수소화를 거치면 전자가 도핑되면서 구조적으로 팽창하고, 전기적 특성이 급격하게 달라졌다. 특히, VO2의 경우에는 수소가 도핑되면 수소의 농도에 따라서 절연체-금속-절연체 상전이를 거쳤고, 이 현상은 전기화학 트렌지스터 소자에서도 구현되었다. 금속에서 절연체로 상전이가 되는 것은 다량의 전자가 VO2의 좁은 t2g 밴드를 채우게 됨에 따라, 전자간의 상호작용이 커지면서 결국 밴드갭을 형성하여 절연체 상이 되는 것으로 보인다. VO2의 수소화는 51.71 g/L의 수소를 가역적으로 저장 가능하고, 수소 저장 소재로서의 가능성을 보여주고 있다. 또한, 기존의 금속 수화물 기반의 수소저장 소재보다 화학적 안정성, 가역성 측면에서 장점이 있는 소재로 발전될 수 있다. 그리고, 결정상을 유지해서 안정적이고, 저항 변화가 급격하게 일어나기 때문에 전자소자로의 응용이 가능하다는 것을 알 수 있다.
또다른 MIT를 보이는 강상 관계 소재인 ReNiO3는 수소화를 하면 상온 저항이 108배 증가했다. 이 현상은 수소 원자에서 니켈 이온으로 전자가 이동해서 Ni2+에 고정되면서 페르미 준위 부근에 밴드갭이 형성되고, 공급된 전자가 e g 밴드를 채우면서 전자간 상호작용이 커지면서 저항이 증가한 것으로 설명할 수 있다. SNO 내에서 수소 이온의 전도도는 다른 고체 전해질과 비슷한 수준으로 매우 높았고, 수소 이동의 활성화 에너지가 다른 수소 전해질과 비교해서 0.27 eV로 낮은 편이었다. 이 현상은 저전력 전자 소자로의 개발 가능성을 보여준다. 또한 계산 결과 수소화가 됨에 따라 페르미 준위 부근에 3 eV 가량의 밴드갭이 형성되면서 박막이 투명해지고 절연성이 뛰어나기 때문에 높은 이온 전도도를 보이는 고체 전해질로의 응용도 가능하다.
강상 관계 소재의 수소화에 따른 전기적 상전이는 소재의 저항이 수소 도핑에 매우 민감하기 때문에 과학적으로 큰 의미를 가지는 동시에, 차세대 전기화학 트렌지스터, 고 전력밀도 및 저온 연료 전지, 민감한 수소 센서 및 전압 퍼텐셜 센서, 저전력 뉴로모픽 소자 개발 등 활용이 매우 다양하고 각 분야 산업에 크게 기여할 것으로 보인다.

참고문헌

1. N. Lu, P. Zhang, Q. Zhang, R. Qiao, Q. He, H. B. Li, Y. Wang, J. Guo, D. Zhang, Z. Duan, Z. Li, M. Wang, S. Yang, M. Yan, E. Arenholz, S. Zhou, W. Yang, L. Gu, C. W. Nan, J. Wu, Y. Tokura, P. Yu, “Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch.” Nature. 546, 124–128 (2017).
crossref pmid pdf
2. J. T. Yang, C. Ge, J. Y. Du, H. Y. Huang, M. He, C. Wang, H. B. Lu, G. Z. Yang, K. J. Jin, “Artificial Synapses Emulated by an Electrolyte-Gated Tungsten-Oxide Transistor.” Adv. Mater. 30, (2018).
crossref
3. J. H. Ngai, F. J. Walker, C. H. Ahn, “Correlated Oxide Physics and Electronics.” Annual Review of Materials Research. 44, 1–17 (2014).
crossref
4. J. H. Ngai, F. J. Walker, C. H. Ahn, “Correlated Oxide Physics and Electronics.” Annu. Rev. Mater. Res. 44, 1–17 (2014).
crossref
5. J. Shi, Y. Zhou, S. Ramanathan, “Colossal resistance switching and band gap modulation in a perovskite nickelate by electron doping.” Nat. Commun. 5, 4860(2014).
crossref pmid pdf
6. 준우 손, 효진 윤, “다전자가 산화물 박막의 가역적 수소저장 및 상전이.” 세라미스트. 제 20권(3): 6–15 (2017).

7. H. Yoon, M. Choi, T. W. Lim, H. Kwon, K. Ihm, J. K. Kim, S. Y. Choi, J. Son, “Reversible phase modulation and hydrogen storage in multivalent VO2 epitaxial thin films.” Nat. Mater. 15, 1113–1119 (2016).
crossref pdf
8. A. Ikeda, T. Manabe, M. Naito, “Epitaxial strain effect in perovskite RENiO3 films (RE = La–Eu) prepared by metal organic decomposition.” Phys. C. 505, 24(2014).
crossref
9. J. Torrance, P. Lacorre, A. Nazzal, E. Ansaldo, C. Niedermayer, “Systematic study of insulator-metal transitions in perovskites RNiO3 (R=Pr,Nd,Sm,Eu) due to closing of charge-transfer gap.” Phys. Rev. B. 45, 8209–8212 (1992).
crossref
10. F. J. Morin, “Oxides Which Show a Metal-to-Insulator Transition at the Neel Temperature.” Phys. Rev. Lett. 3, 34–36 (1959).
crossref
11. Y. Zhao, G. Karaoglan-Bebek, X. Pan, M. Holtz, A. A. Bernussi, Z. Fan, “Hydrogen-doping stabilized metallic VO2 (R) thin films and their application to suppress Fabry-Perot resonances in the terahertz regime.” Applied Physics Letters. 104, (2014).

12. J. Wei, H. Ji, W. Guo, A. H. Nevidomskyy, D. Natelson, “Hydrogen stabilization of metallic vanadium dioxide in single-crystal nanobeams.” Nature Nanotechnology. 7, 357–362 (2012).
crossref pdf
13. E. Strelcov, Y. Lilach, A. Kolmakov, “Gas Sensor Based on Metal-Insulator Transition in VO2 Nanowire Thermistor.” Nano Lett. 9, 2322–2326 (2009).
crossref pmid
14. M. Jo, H. J. Lee, C. Oh, H. Yoon, J. Y. Jo, J. Son, “Gate-Induced Massive and Reversible Phase Transition of VO2 Channels Using Solid-State Proton Electrolytes.” Adv. Func. Mater. 28, 1802003(2018).
crossref
15. T. Katase, K. Endo, T. Tohei, Y. Ikuhara, H. Ohta, “Room-Temperature-Protonation-Driven On- Demand Metal-Insulator Conversion of a Transition Metal Oxide.” Advanced Electronic Materials. 1, (2015).
crossref
16. T. Sasaki, H. Ueda, T. Kanki, H. Tanaka, “Electrochemical gating-induced reversible and drastic resistance switching in VO2 nanowires.” Sci Rep. 5, 17080(2015).
crossref pmid pmc
17. K. D. Kreuer, “Proton-Conducting Oxides.” Annual Review of Materials Research. 33, 333–359 (2003).
crossref
18. Y. Zhou, X. Guan, H. Zhou, K. Ramadoss, S. Adam, H. Liu, S. Lee, J. Shi, M. Tsuchiya, D. D. Fong, S. Ramanathan, “Strongly correlated perovskite fuel cells.” Nature. 534, 231–234 (2016).
crossref pdf
19. Z. Zhang, D. Schwanz, B. Narayanan, M. Kotiuga, J. A. Dura, M. Cherukara, H. Zhou, J. W. Freeland, J. Li, R. Sutarto, F. He, C. Wu, J. Zhu, Y. Sun, K. Ramadoss, S. S. Nonnenmann, N. Yu, R. Comin, K. M. Rabe, S. Sankaranarayanan, S. Ramanathan, “Perovskite nickelates as electric-field sensors in salt water.” Nature. 553, 68–72 (2018).
crossref pdf
20. C. Oh, S. Heo, H. M. Jang, J. Son, “Correlated memory resistor in epitaxial NdNiO3 heterostructures with asymmetrical proton concentration.” Appl. Phys. Lett. 108, 122106(2016).
crossref
21. D. Kuzum, S. Yu, H. S. Wong, “Synaptic electronics: materials, devices and applications.” Nanotech. 24, 382001(2013).
crossref

Biography

◉◉오 차 돌
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◉2013.08 포항공과대학교 신소재공학과 학사
◉2014.03-현재 포항공과대학교 신소재공학과 박사과정

Biography

◉◉손 준 우
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◉2005.02 서울대학교 재료공학부 학사
◉2011.06 UC Santa Barbara 재료공학과 박사
◉2011.07-2012.10 UC Santa Barbara MRL 박사후 연구원
◉2012.11-2017.02 포항공과대학 신소재공학과 조교수
◉2017.03-현재 포항공과대학 신소재공학과 부교수
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