주사 투과 현미경은 표면 상에서 단일 원자들의 이미지를 만들거나 또는 단일 원자 주위를 움직이는 원자들의 이미지를 만들 수 있다. 이제 일본 토쿄 대학 고체 상태 물리 연구소 연구진은 이런 디바이스의 정밀도를 개선하여 납표면 상에서 단일 원자 주위의 다른 위치 사이에서 전기적 전도도의 차이를 측정할 수 있게 하였다. 이들의 연구 결과는 금속과 초전도체의 특성을 밝혀주며 언젠가 나노기술 제작에 사용될 수 있을 것으로 보인다.

주사 투과 현미경은 바늘같은 탐침이 진공 중에서 시료 표면에 극도로 가깝게 위치해 있다. 탐침의 끝은 단일 원자이다. 전압이 인가되면, 전자들은 간격을 통해 점프하거나 투과해 나갈 수 있으며, 표면을 가로질러 움직이는 전류를 측정하여 이미지를 얻는다. 또 다른 주사 투과 현미경 기술에서, 탐침은 시료에 접촉하여 원자들이 그것과 화학적으로 결합할 수 있게 한다. 연구자들은 점접촉이라고 알려진 이 방법을 이용하여 원자 주위를 움직이게 할 수 있다. 점접촉 기술은 또한 원자 스케일에서 물질의 전기적 전도도를 측정하기에 적합하며, 고전적인 저항법칙이 성립하지 않는 양자 영역에서 어떻게 전류가 흐르는지를 알 수 있게 해준다.

문제는 팁이 표면에 접촉하였을 때, 그것이 시료를 재정렬시키거나 손상시킬 수 있다는 것이다. 이런 효과는 원자 영역 이미지에 필요한 일관된 팁과 표면 사이의 거리를 유지시키는 것을 불가능하게 만들고 필요한 정밀도로 팁의 위치를 추적하는 것을 불가능하게 만든다. 이제 일본 토쿄 대학의 연구진은 납으로 만든 극도로 안정적인 팁을 이용하여 기계적 진동 및 전기적 노이즈를 줄임으로써 이런 팁 붕괴라고 불리는 이런 문제를 피할 수 있게 하였다. 이런 시스템은 연구진으로 하여금 원자 구조의 정확한 위치에서 납의 전기전도도를 직접적으로 측정 가능하게 하였다.

납 격자에서 이런 원자들은 층으로 쌓인 규칙적인 구조를 이루고 있다. 주사 투과 현미경 팁이 이런 납격자 구조 위를 지나가면, 전자들은 투과를 통해 움직이며 전도도는 비교적 균일하다. 연구진은 그들이 팁을 원자에 매우 가깝게 접근시키면, 원자들 사이에 있는 위치에 비교해서 더 높은 전도도를 측정할 수 있다는 것을 발견하였다. 그러나 팁이 격자를 접촉하도록 허용하면, 전도도는 원자들 사이의 공간에서 가장 커졌다. 예를 들어, 3개의 원자들이 만나는 구멍에서 가장 큰 전도도를 보였다.

이론적 모델에 기반하여, 연구진은 이에 대한 이유를 원자들 사이의 화학적 결합에 의거하여 설명하였다. 이런 화학적 결합은 전자들이 움직일 수 있는 채널을 제공하여 주는 것이다. 주사 투과 현미경 팁이 납 격자를 완전히 접촉하지 않고 약간 위에 있을 경우, 그것은 대부분 상단의 원자들과 상호작용하며, 따라서 전도도는 그런 위치에서 더 크게 된다. 그러나 탐침이 금속에 접촉하면, 그것은 더 많은 원자들의 개수와 화학적으로 결합한다. 더 많은 결합이 형성되면, 더 많은 전자들이 움직일 수 있는 경로가 만들어지면, 따라서 더 높은 전도도가 발생하게 된다.

이들 연구진은 앞으로 그들의 주사 투과 현미경 기술로 납이 충분히 냉각되면 초전도체가 되게 만드는 전자쌍을 연구할 수 있기를 희망하고 있다. 이들 연구진은 납 격자에서 쿠퍼쌍의 흐름을 관측할 수 있기를 원하고 있다. 이런 쿠퍼쌍은 이용 가능한 채널의 개수에 의존한다. 이들 연구진은 또한 그들의 결과가 나노 스케일 디바이스 제작에 유용할 수 있기를 희망하고 있다. 이런 나노 디바이스에서는 다른 원자 부분을 통해서 흐르는 전류를 자세히 이해하는 것이 매우 중요하기 때문이다.

주사 투과 현미경 전문가인 프랑스 국립 과학 연구소 센터의 Laurent Limot는 이들의 연구가 매우 체계적이라고 말하였다. 그들은 다른 기술을 사용한 다른 연구진의 방법이 특정한 위치에 기반한 측정이지만 이들의 연구는 점접촉 기술로 많은 위치를 측정하여 더 많은 정보를 체계적으로 얻을 수 있게 하였다고 말하였다. 이들의 연구 결과는 Physical Review Letters 저널에 발표되었다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』