韩国研究团队开发出一种材料设计方法：在原子种类和数量相同的情况下，仅改变其堆叠顺序，便能在保留材料原有优点的同时为其增添新功能。该技术被评价为有望推动下一代电子器件、半导体绝缘膜及热传感器开发的原创性技术。
 [코리안투데이] 通过选择性原子梯度实现极性的示意图，以及原子分辨率电子显微镜观察图像 © 장형임 기자 |
韩国科学技术信息通信部（副总理兼科技信息通信部长官裴庚勋）表示，浦项工科大学（POSTECH）李大洙、李吉浩、崔时荣教授与崇实大学朴世荣教授组成的联合研究团队，通过精密设计原子层的组成排列，在金属与超薄绝缘材料中实现了新功能。该研究成果于10月2日（当地时间10月1日星期四下午2时，EDT）发表于世界最高权威学术期刊《科学》（Science）。论文名为〈Synergistic polar states by selective atomic gradients〉。
制作功能性材料时，以往主要采用混入新元素或改变原有元素比例的方式。然而，在获得新性质的过程中，材料原本具备的功能可能发生改变或消失，因此很难在保留优点的同时增添功能。尤其金属很难在保持良好导电性的同时，实现原子朝某一方向偏移排列的「极性」；而超薄绝缘材料则越薄越容易漏电，难以同时兼顾较薄的厚度与较高的绝缘性能。
研究团队构想出一种名为「选择性原子梯度」（Selective Atomic Gradient）的设计方法：保持与材料电子性质相关的原子不变，仅沿厚度方向在每个原子层中逐层微调尺寸不同的特定原子的比例。如同颜色渐渐变化的渐变效果一般，当沿厚度方向使原子比例产生差异时，原子便会朝一侧微微偏移，从而在材料内部形成极性。若将原子层的排列顺序翻转，极性的方向也随之相反；而在把相同种类和数量的原子均匀混合的材料中，则不会出现这种方向性。
研究团队首先将该设计方法应用于导电性良好的（Sr,Ca）IrO₃金属薄膜。结果显示，在保持原有金属性的同时，电流沿一个方向流动与沿相反方向流动时所呈现的电阻各不相同；而改变原子层排列顺序后，电阻差异的方向也随之反转。这证实了可以在制作阶段调控材料的电性方向性。
随后，研究团队将同样的方法应用于厚度约5.1纳米（nm）的（Ba,Ca）TiO₃超薄绝缘材料，结果穿过薄膜泄漏的漏电流大幅减少，而储存电能的能力仍维持在较高水平。尤其是将温度变化转换为电信号的性能，比厚度相近的代表性对比薄膜高出约100倍；当翻转原子层排列顺序时，由温度变化产生的电信号方向也随之反转。
此次成果的意义并不在于发现了某一种高性能新材料，而在于提出了「以何种顺序堆叠原子」这一全新的材料设计变量。研究团队证实，在导电性良好的金属与几乎不导电的绝缘材料中，同一原理均能发挥作用，展现出广泛的应用可能性。团队期待该技术可应用于随电流方向而呈现不同工作状态的电子器件和自旋电子学（spintronics）、降低漏电流的下一代半导体用超薄绝缘膜、感知温度变化的红外线及热传感器，以及能量收集（energy harvesting）技术等领域。
主导此次研究的李大洙教授表示：「我们证明了，即使不添加新元素，仅改变原子的堆叠顺序，也能在保留材料原有优点的同时为其增添新功能。」他还表示：「今后计划将这一方法扩展至磁性体与超导体等更多种类的物质，并推进将其实现为超薄绝缘膜、热传感器等实际器件的后续研究。」
科技信息通信部研发政策室长金成洙表示：「此次成果表明，探究物质根本性质的基础研究能够为材料设计带来全新的解决方案。」他还说：「我们将不遗余力地支持基础研究，使研究人员能够基于富有创意的想法探索新原理，并持续开展具有挑战性的研究。」
此次研究得到科技信息通信部基础研究项目（核心研究及先导研究中心）的支持。论文通讯作者为李大洙、李吉浩、崔时荣教授与朴世荣教授，第一作者由浦项科技大学硕博连读生金相贤、韩基正及黄秀润、卢佳熙博士共同担任。咨询请联系浦项工科大学物理学系李大洙教授（054-279-2063）及科技信息通信部基础研究振兴科（044-202-4530）。
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