일본 NIMS, 다이아몬드 NV 센터로 단일 전위 응력 텐서 세계 최초 직접 측정…1 MPa 정밀도 달성

80년간 검증되지 못한 이론

완벽해 보이는 다이아몬드 결정에도 원자 배열이 어긋나는 결함인 '전위'가 존재한다. 전위 주변에는 미세한 응력장이 형성되며, 이는 소재의 기계적·전기적·자기적 특성 전반에 영향을 미친다. 1940년대 물리학자들은 탄성 이론을 통해 전위 주변 임의의 지점에서 응력 상태를 기술하는 수학적 도구, 즉 '응력 텐서(stress tensor)'를 도출했다. 이 이론은 이후 수십 년간 결정 물리학의 기반이 됐지만, 기존 측정 기술로는 응력 텐서의 일부 성분만 포착할 수 있어 완전한 실험적 검증은 이루어지지 못했다. 차세대 전력 반도체와 양자 소자 개발이 고품질 결정 성장을 요구하는 지금, 이 공백은 기술적 불확실성으로 이어지고 있었다.

NV 센터의 4방향 배향을 활용한 측정 전략

NIMS의 Tokuyuki Teraji 연구팀은 다이아몬드 내 NV 센터의 고유한 특성에 주목했다. NV 센터는 탄소 자리에 질소 원자가 치환되고 인접한 자리가 빈 결함으로, 여기에 결합된 비쌍전자의 스핀 상태는 국소 응력 방향에 민감하게 반응한다. 다이아몬드 격자에서 NV 센터는 네 가지 결정학적 배향으로 존재할 수 있다. 동일한 응력장에 놓인 네 배향의 NV 센터는 각각 미묘하게 다른 공명 주파수 이동을 보이므로, 이를 종합하면 응력 텐서의 서로 다른 성분들을 분리해 추출할 수 있다.

연구팀은 화학기상증착(CVD)으로 고품질 다이아몬드 박막을 성장시키면서 탄소-12 동위원소를 농축해 NV 스핀의 결맞음(coherence) 시간을 극대화했다. 또한 질소 농도를 정밀 조절해 NV 형광 밝기를 높이는 동시에 결맞음 손실을 최소화했다. 공초점 현미경을 통해 박막 전반의 NV 센터에 마이크로파 펄스 쌍을 조사한 뒤 형광 밝기 변화로부터 공명 주파수를 추출했고, 약 1 MPa의 정밀도로 응력을 감지했다. 이는 기존 방법 대비 약 10배 향상된 수치다.

점대칭 분포 확인과 이론 정합성 검증

45° 단일 전위가 지배하는 영역을 선별해 분석한 결과, 전위를 중심으로 한 점대칭 응력 분포가 관측됐다. 이 측정 데이터를 탄성 이론에 맞춰 피팅하자 다이아몬드의 탄성 상수 값이 벌크 다이아몬드의 기존 보고값과 잘 일치했다. 이는 탄성 이론이 예측한 단일 전위 주변 응력 텐서가 실험적으로도 타당함을 최초로 직접 입증한 것이다. 연구팀은 또한 단일 전위와 전위 다발을 구별할 수 있음도 확인했다.

차세대 소자 제조 공정 개선 가능성

이 기법은 소자 성능을 저하시키는 미세 결함 주변의 국소 응력장을 정량적으로 평가할 수 있게 해준다. 이는 결정 성장 공정 최적화와 차세대 전력 소자·양자 소자의 신뢰성 향상에 직접적인 지침을 제공할 수 있다. 다만 현재 측정은 다이아몬드에 국한되며, 다른 결정 재료로의 일반화 가능성과 다양한 전위 형태에 대한 추가 검증은 향후 과제로 남는다.