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일차원 원자선과 이차원 원자층에서 전자의 불안정성에 대한 제일원리계산연구

Title
일차원 원자선과 이차원 원자층에서 전자의 불안정성에 대한 제일원리계산연구
Other Titles
First-principles study of the electronic instability in 1D atom wires and 2D atom layers
Author
이준호
Alternative Author(s)
Jun-Ho Lee
Advisor(s)
조준형
Issue Date
2014-02
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
저차원 전자계에서는 루틴저 액체, 파이얼스 불안정성, 모트-허바드 절연체, 초전도 현상, 금속-비금속 상전이, 국소적 자성 등 응집물질물리 분야에서 주목을 받고 있는 흥미로운 물리 현상들이 나타난다. 특히 물질의 표면에서는 흡착물과 표면의 종류를 적절히 조절함으로서 다양한 물리 현상을 구현할 수 있기에 저차원 현상을 연구하는데 대표적인 예가 되어 왔다. 본 논문에서는 이러한 표면 현상에서 나타나는 전하, 스핀, 격자, 궤도의 결합에 의해 어떠한 물성을 보이게 될지 알고자 연구를 진행하게 되었다. 특히 제일원리 밀도범함수이론을 통해 1차원 원자선과 2차원 원자층에서 전자의 불안정성에 대해서 탐구하였다. 첫째로, 수소가 흡착된 C(100), Si(100), Ge(100) 표면에서 형성된 1차원 댕글링 본드선의 바닥 상태에 대해서 연구하였다. 세 종류의 댕글링 본드선은 서로 다른 특징을 갖는다. C(100)는 전자와 전자의 강한 상호작용으로 인해 전자의 스핀들이 반강자성으로 정렬을 하는 반면, Ge(100)에서는 전자와 격자의 결합에 의한 파이얼스 뒤틀림이 나타나게 된다. Si(100) 표면에서는 반강자성 상태와 파이얼스 뒤틀림 상태가 서로 유사한 에너지를 갖는다. 세 종류의 댕글링 본드선에서 이처럼 서로 다른 특징을 나타내는 이유는 2$p$, 3$p$, 4$p$ 궤도들이 공간적으로 국소화되어 있는 정도의 차이로 인한 상호작용의 세기가 다르기 때문이다. 두번째로, 준국소 및 혼성 밀도범함수이론을 이용하여 Sn/Ge(111) 표면에서 30K 이하의 낮은 온도에서 관측된 비금속상의 ${\sqrt{3}}{\times}{\sqrt{3}}$ 상태에 대해서 연구하였다. 준국소 밀도범함수이론은 금속상의 $3{\times}3$ 상태를 ${\sqrt{3}}{\times}{\sqrt{3}}$ 상태보다 안정되게 기술하여 실험과 일치하지 않았으나, 반데르발스 에너지가 고려된 혼성 밀도범함수이론 계산을 통해서 ${\sqrt{3}}{\times}{\sqrt{3}}$의 표면 구조를 가지면서 비금속상이 되는 준강자성 구조를 발견하였고 에너지도 금속상의 $3{\times}3$ 보다 더 안정된 결과를 얻었다. 이는 혼성 밀도범함수이론을 통해서 자체 상호작용 오류를 수정함으로서 준강자성 정렬이 유도되면서 밴드갭이 열리는 상태를 발견하게 된 것이다. 실험에서 관측된 비금속상은 그동안 받아들여져 오던 전자와 전자의 강한 상호작용에 의한 모트-허바드 절연체라기보다는 널리 퍼져 있는 전자들의 자기적 정렬에 의한 슬레이터 매커니즘으로 설명할 수 있다. 마지막으로, Si(001) 표면에 재결합되어 형성된 $D_B$ 스텝 표면에서 자기적 정렬에 대해서 연구하였다. 재결합된 $D_B$ 스텝의 실리콘 원자들은 스텝 경계면을 따라 형성된 1차원 댕글링본드선으로 취급할 수 있다. 이러한 스텝 표면의 바닥 상태는 실리콘 원자가 하나는 위를 향하고, 다른 하나는 아래를 향하는 얀텔러 뒤틀림과 같은 형태를 갖지만 테라스 부분을 수소 원자로 흡착시킬 경우에는 전자들이 스텝 경계면에 국소화되면서 반강자성의 자기적 정렬을 할 수 있게 된다는 것을 발견하였다. 여기서 댕글링 본드선의 길이를 줄여 나갈 때에 댕글링 본드선의 길이에 따라서 얀텔러 뒤틀림 상태와의 에너지 차이가 진동하는 양상을 보인다는 것을 발견하였고 이는 양자 크기 효과로 기인한 것임을 밝혔다.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/131072http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000424101
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > PHYSICS(물리학과) > Theses (Ph.D.)
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