강상관 전자계 물질은 전통적 밴드 이론으로 예측한 바와 다른 전기적 특성을 주목받아 집중적으로 연구되어 왔다. 특히 전이 금속 산화물의 절연체 특성이 보고된 후, 밴드 이론은 강상관계 내의 전자 간 상호작용을 더욱 정확하게 기술하기 위해 보완되어 왔다. 지난 80 년 간, 허버드 모델과 같은 이론적 발전과 함께, 강상관계 물질의 활용성을 증대시키는 다양한 방법 또한 고안되어 왔다.
이산화 바나듐(vanadium dioxide, VO₂)은 발견 후부터 계속해서 집중적으로 연구된 전이 금속 산화물로, 섭씨 67 도 부근에서 금속-절연체 상전이(metal-insulator transition, MIT)와 구조적 상전이를 일으키는 물질이다. 아직 정확한 VO₂ 의 MIT 기전은 밝혀지지 않았지만, 멤리스터 소자, 전기 스위치, 열적화학적 센서 등 다양한 VO₂ 활용 방안이 모색되었다.
그러나 VO₂ 의 상온보다 높은 상전이 온도와 불연속적인 상전이 특성은 VO₂ 의 소자화와 활용을 일부분 제한해왔다. 이에 67 도의 전이 온도를 포함한 VO₂ 의 MIT 특성을 조절하기 위한 방법으로 치환 도핑, 기계적 스트레스 인가와 화학적 처리 등 다양한 방법이 모색되었는데, 그 중 바나듐 4 가 양이온(V4+)을 텅스텐 6 가 양이온(W6+)으로 치환하는 방식은 VO₂ 의 전이 온도를 안정적으로 낮추는 방법으로 평가받아 왔다.
이번 논문에서는 VO₂ 박막에 텅스텐 치환 도핑이 미치는 영향을 연구하여 분석했다. 분석을 위해 두 개의 소스를 이용한 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 과정으로 산화 실리콘 기판 위에 다결정 WxV1-xO2 박막을 증착했고, 이때 기판 표면을 따라 박막 내 텅스텐 도핑 농도가 점진적으로 변화하는 도핑 구배를 유도했다.
두 번째로는 제작한 박막을 대상으로 온도 변화에 따른 전류-전압 측정을 수행했다. 조합적 분석(combinatorial analysis)을 위해 핫척이 부착된 측정 지그, 전류 소스, 제어를 위한 PC 소프트웨어로 구성된 다채널 전기 측정 시스템을 구축했다. 이 시스템을 사용해서 최대 26 개의 구역으로 나뉜 박막 각 부분의 온도별 저항을 동시에 측정했으며, 해당 측정 결과를 바탕으로 상전이 온도를 비롯한 MIT 특성을 추출해 서로 비교했다.
마지막으로, WxV1-xO2 박막의 구조적 특성을 X 선 회절 분석법과 라만 분광법을 이용해 분석했다. 해당 결과는 박막 품질 확인과 텅스텐 도핑 효과의 정량적 분석에 사용되었는데, 구체적으로는 X 선 회절 패턴의 피크 위치 이동, 반치전폭 증가, 피크 크기의 상대적 변화 등을 통해 결정의 특성을 상대적으로 비교 분석했다. VO₂ 박막의 텅스텐 도핑 농도와 MIT 특성 간 관계를 분석하기 위한 박막의 화학적 조성은 에너지 분산형 분광분석법을 이용해 확인했다.
정리하자면, 이번 연구에서는 도핑 구배를 가진 고품질의 WxV1-xO2 박막을 합성해 MIT 특성과 구조적 특성과 화학적 조성을 관찰하고 그 관계를 분석했다. 그 결과 불순물이 첨가되지 않은 순수 VO₂ 박막과 비교했을 때 텅스텐 도핑이 박막 전이 온도를 1 원자퍼센트 당 -69.4 ℃ 낮출 뿐만 아니라 절연체상의 비저항을 낮추고 전이 구간을 확장함을 관찰할 수 있었다. 해당 결과가 추후 VO₂ 박막의 소자 응용과 텅스텐 도핑 효과의 종합적 이해에 도움이 되기를 기대한다.