[김기석 교수 연구실] Emergence of a Metal-Insulator Transition and High-Temper…

VSe_2의 전자구조 재구성에 대한 두께, 온도, 계면으로 정의된 공간에서의 상도표.각 상에는 브릴루앙 영역의 1/6에 해당하는 페르미표면 모델이 있으며 실선(점선)은 갭이
닫혀(열려) 있음을 의미한다.

포스텍(포항공대) 김기석 교수 연구팀이 3차원 물질을 2차원 물질로 만들었을 때 나타나는 새로운 상전이 현상을 이해하는 틀을 제안하였다.

물리학과 김기석 교수 연구팀의 장익수 학생과  서울시립대학교 물리학과 장영준 교수 연구팀, 그리고 울산대학교 물리학과 김정대 교수 연구 팀은 Lawrence Berkeley National Laboratory 연구팀, Center for Correlated Electron Systems (IBS)의 박제근 교수 연구팀, 그리고 National Taiwan University 연구팀과의 (국제) 공동연구를 통해 그래핀 위에 VSe_2 단원자층을 만들었을 때 나타나는 2차원 물질의 새로운 상전이 현상을 발견하고 그 원리를 규명하였다고 밝혔다. 이 연구는 물리분야 대표적인 저명 학술지인 Nano Letters 18, 5432 (2018)에 게재됐다. 이번 연구는 2차원물질에서 차원과 계면으로 인해 전자들 사이의 상호작용이 조절되어 어떻게 전자구조 재구성이 일어날 수 있는지를 밝힌 연구로 평가된다.

표면 및 계면의 변화로 야기되는 전자 구조 재구성은 고체물리학에서 중요한 이슈로, 특히 산화물 복합구조에서 집중적으로 연구되어 왔다. 최근에는 적층 구조의 반데르발스(van der Waals) 시스템에서 저차원 구조 및 이질계면(heterointerface) 에 의한 전자구조 재구성에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는 추세 이다. 특히 전이금속칼코겐 화합물이 단원자층 두께가 되었을 때 밴드갭 구조, 초전도, 강자성, 전하 밀도파(charge density wave) 등과 같은 다양한 물성에 변화가 생겨 이는 많은 관심을 받고 있는 주제이다. 반데르발스의 약한 상호작용으로 인해 전이금속칼코겐 화합물에서 계면의 역할은 종종 무시되곤 하지만, 최근 그래핀에서 발견된 초전도 현상처럼 반데르발스 물질에서도 계면은 아주 중요한 역할을 한다. (물리학과 첨단기술 NOVEMBER 2018 새로운 연구결과 소개에서 인용)

그래핀 위에 성장된 단원자층 VSe_2의 전자 및 원자 구조에 대한 체계적인 연구를 각분해 광전자 분광법(angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES), 주사터널링현미경(scanning tunneling microscope, STM)을 활용하여 수행하였다. 덩어리 VSe_2 시편과 직접 비교를 통해 단원자층 VSe_2에선 페르미 면의 k_z방향에 대한 의존성이 사라져 2차원 특성을 보이며 동시에 페르미 면 겹싸기(Fermi surface nesting)가 급격히 강화됨을 확인하였다. 이 결과는 재규격화군(renormalization group) 분석을 통해 3차원 시스템에서의 불완전한 겹싸기가 2차원에서 완벽한 겹싸기로 바뀌는 것이 보편적으로 일어날 수 있음을 증명함으로써 이해될 수 있었다. 결과적으로 단원자층 VSe2의 Tcdw가 ∼350 K까지 급격히 상승됨을 ARPES 및 STM 실험을 통해 확인하였다. 더욱 흥미로운 점은 135 K에서 덩어리 시스템에서는 존재하지 않는 금속-절연체 전이가 일어나며 강한 격자뒤틀림이 동반된다는 것이다. √3×2 & √3×√7 주기를 갖는 이 격자 뒤틀림은 12×aG(그래핀 격자상수)와 구조적으로 잘 일치하여 이질계면의 중요성을 확인하였다. (물리학과 첨단기술 NOVEMBER 2018 새로운 연구결과 소개에서 인용)

연구를 주도한 장영준, 김정대, 그리고 김기석 교수는 “본 연구는 최근 이슈가 되고 있는 2차원물질에서 차원과 계면으로 인해 전자들 사이의 상호작용이 조절되어 어떻게 전자구조 재구성이 일어날 수 있는지 보여주는 좋은 예시가 될 것으로 기대된다.” 라고 밝혔다.

Dimensionality and heterointerface structure of quantum material are essential factors to control both electron-electron and electron-phonon interactions. These aspects are responsible for electronic reconstruction phenomena, which serve as the basic principle for device applications. Compared with the electronic reconstruction paradigm in oxide heterostructured quantum materials, such phenomena appear as rather a simple fashion in the van der Waals heterointerface system. In this respect, the van der Waals heterointerface system may be an ideal flat form testing the basic principle in the strongly correlated regime, for example metallic quantum criticality in two dimensions. By reducing the material thickness and forming a heterointerface, we find two types of charge-ordering transitions in monolayer VSe2 on graphene substrates. Angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) uncovers that Fermi-surface nesting becomes perfect in monolayer (ML) VSe2. Renormalization group analysis confirms that imperfect nesting in three dimensions universally flows into perfect nesting in two dimensions. As a result, the charge-density wave-transition temperature is dramatically enhanced to a value of 350 K compared to the 105 K in bulk VSe2. More interestingly, ARPES and scanning tunneling microscopy measurements confirm an unexpected metal−insulator transition at 135 K that is driven by lattice distortions.