나노결정재료 입계에서의 도펀트의 역할

전문가 제언

○ 다결정 재료에서 각 결정의 크기가 아주 작아져서 나노스케일로 되면 결정 간의 계면(입계)이 차지하는 용적비율이 증가하므로 입계가 재료의 성질에 미치는 영향력이 크게 증가한다. 그런 이유로 나노결정 재료는 큰 결정립을 가진 재료와는 매우 다른 독특한 성질을 나타내기 때문에 미소전자공학과 에너지 분야의 응용에 중요한 역할을 하고 있다.

○ 순 금속 나노결정 재료에 크기가 다른 제2의 원소, 즉 도펀트(dopant)를 첨가하면 그것은 빈틈없는 결정의 내부보다는 원자들의 불규칙한 배열로 인해 공간적 여유가 있는 입계로 몰리게 된다. 도펀트의 입계 편석은 열역학적으로는 재료의 내부에너지를 감소시키고, 동역학적으로는 입계의 이동에 대한 장애물로 작용하게 된다. 그러나 이러한 나노스케일에서의 원자들의 거동을 실제 실험으로 관찰하고 해석하는 것은 매우 어려운 일이다.

○ 분자동역학(molecular dynamics: MD)은 위와 같은 이론과 실험 사이의 갭을 연결하여주는 재료과학의 유용한 도구이다. MD는 재료 내 원자들의 결합력에 기인하는 퍼텐셜에너지를 이용하여 입자들의 움직임을 뉴턴의 운동방정식으로 수치 계산하여 재료의 미세구조가 시간적 공간적으로 어떻게 변화하는가를 보여주므로 나노영역에서 현미경을 대체하는 고해상도의 가상 현미경이라 할 수 있다.

○ MD 기법은 박막증착 공정에서의 증착원소의 거동과 증착 메커니즘, 재료 표면하부에의 이온주입 등 직접적 관찰이 불가능한 원자수준의 현상을 연구하는 데 매우 유용하며, 국내의 여러 대학과 연구소들도 외국에서 개발된 MD 관련 소프트웨어들을 이용하여 나노재료분야의 연구를 활발히 수행하고 있다.

○ 그러나 MD는 원자의 운동을 고전역학적 방법으로 해석하기 때문에 공유결합과 같이 원자보다 더 작은 전자의 거동과 관련된 양자역학적 현상은 취급할 수 없다는 한계를 가지고 있다. 앞으로 새로운 알고리듬과 컴퓨터 연산능력의 향상에 힘입어 그와 같이 크고 복잡한 시스템의 더욱 정밀한 해석도 가능해질 것으로 기대된다.

저자

Rahul K. Rajgarhia, Douglas E. Spearot, and Ashok Saxena

자료유형

학술정보

원문언어

영어

기업산업분류

재료

연도

2010

권(호)

62(12)

잡지명

JOM Journal of the Minerals, Metals and Materials Society

과학기술
표준분류

재료

페이지

70~74

분석자

심*주

분석물

• 나노결정재료 입계에서의 도펀트의 역할.pdf [315,962 byte]

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