수소 매개 SmNiO3 금속-절연체 전이 제어

페로브스카이트 니켈산화물(RNiO3)과 같은 강상관 산화물의 양성자(수소) 도핑은 전기 저항의 극적인 변화를 유도하는 전자적 특성 변조로 인해 큰 관심을 받고 있으나, 그 메커니즘은 명확히 밝혀지지 않았습니다. 본 연구는 수소 환경에서 SmNiO3(SNO) 박막 및 멤리스터 소자의 전압 조절형 금속-절연체 전이 메커니즘을 규명하고자 했습니다. 이를 위해 실시간 X선 회절(XRD), 중성자 반사율(NR), 전기적 측정 기법을 활용했습니다. 수소 노출 시 SNO 박막의 c축 격자 상수가 상온에서 즉시 팽창하며, 최대 약 8%에 달하는 거대한 값에서 포화되는 것을 확인했습니다. NR 측정 결과, 이 팽창은 1:4 비율의 수소 삽입으로 인해 발생함을 최초로 입증했습니다. 실시간 전류-전압(IV) 측정은 수소화가 3차수 이상 저항 변화를 유도하며, 양성자화된 Pt/SNO 소자가 양극성 저항 스위칭(RS) 이력 현상을 나타냄을 보여주었습니다. 이 시스템의 RS 효과는 계면 쇼트키 장벽 높이 변조에서 비롯되며, Pt/SNO 계면 및 SNO 박막 내 양성자 이동이 아날로그 IV 이력 현상의 주요 동인임을 확인했습니다. Pt/SNO 소자에서 수소 삽입 및 탈착 동역학을 온도 의존적 전기적 특성 분석과 아브라미 모델을 통해 체계적으로 연구했습니다. 이 결과는 수소가 SmNiO3의 전자 전이를 유도하는 메커니즘을 최초로 밝히고, 전압 제어를 통해 뉴로모픽 소자의 전자적 특성을 조작하는 데 활용될 수 있음을 보여줍니다.