재료 과학의 획기적인 진전: AI가 박막의 수지상 성장 비밀을 밝혀내다

몇 나노미터 두께의 재료 층으로 구성된 박막 소자는 반도체에서 통신 기술에 이르기까지 다양한 기술에서 중요한 역할을 합니다.

예를 들어, 구리 기판에 증착된 그래핀과 육각형 질화붕소(h-BN) 다층 박막은 차세대 고속 통신 시스템을 위한 유망한 재료입니다. 박막은 기판에 작은 재료 층을 증착하여 성장합니다. 성장 공정 조건은 이러한 박막의 미세 구조에 상당한 영향을 미치며, 이는 다시 기능과 성능에 영향을 미칩니다.

성장 중에 나타나는 수지상 구조 또는 나무와 같은 가지 패턴은 박막 소자의 대면적 제조에 큰 과제를 안겨주며, 상업적 응용을 향한 핵심 단계입니다. 이러한 구조는 구리, 그래핀, 보로펜과 같은 재료에서 일반적으로 관찰되며, 특히 초기 성장 단계와 다층 필름에서 관찰됩니다. 미세 구조는 소자 성능에 직접적인 영향을 미치므로 수지상 형성을 줄이는 것이 중요합니다.

그러나 수지상을 연구하는 방법은 대체로 조잡한 시각적 분석과 주관적인 해석에 의존해 왔습니다. 수지상 가지를 구동하는 조건을 이해하는 것은 박막 성장 프로세스를 최적화하는 데 필수적이지만, 기존 접근 방식은 종종 상당한 시행착오가 필요합니다.

이러한 과제를 해결하기 위해 일본 도쿄과학원(TUS) 재료과학기술학과의 마사토 코츠기 교수가 이끄는 연구팀은 수지상 구조를 분석하기 위한 혁신적인 설명 가능 인공지능(AI) 모델을 개발했습니다. 이 팀에는 역시 TUS의 미사토 토네와 오카야마대학의 이페이 오바야시가 포함되었습니다.

이 팀은 에너지 분석과 지속적인 동질성과 기계 학습을 통합하여 수지상 성장에서 구조와 과정을 연결하는 새로운 방법을 개발했습니다. 코츠기 교수는 "저희의 접근 방식은 성장 메커니즘에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 박막 제조를 최적화하기 위한 강력하고 데이터 중심적인 경로를 제공합니다."라고 설명했습니다.

이들의 연구는 2025년 3월 7일 Science and Technology of Advanced Materials: Methods에 온라인으로 게재되었습니다.

수상돌기 구조의 형태를 분석하기 위해 연구팀은 지속적 호몰로지(PH)라는 최첨단 토폴로지 방법을 사용했습니다. PH는 기하학적 구조 내의 구멍과 연결에 대한 다중 스케일 분석을 가능하게 하여 기존 이미지 처리 기술에서 종종 간과하는 나무 모양 수상돌기 미세 구조의 복잡한 토폴로지적 특징을 포착합니다.

연구자들은 PH를 기계 학습 기술인 주성분 분석(PCA)과 결합했습니다. PCA를 통해 PH를 통해 추출된 수상돌기 형태의 필수적 특징이 2차원 공간으로 축소되었습니다. 이를 통해 팀은 수상돌기의 구조적 변화를 정량화하고 이러한 변화와 깁스 자유 에너지, 즉 결정 성장 중에 수상돌기가 형성되는 방식에 영향을 미치는 재료에서 사용 가능한 에너지 간의 관계를 확립할 수 있었습니다.

이 관계를 분석함으로써 그들은 수상돌기 분지에 영향을 미치는 특정 조건과 숨겨진 성장 메커니즘을 발견했습니다. 코츠기 교수는 "저희 프레임워크는 수상돌기 형태를 깁스 자유 에너지 변화에 정량적으로 매핑하여 분지 동작을 주도하는 에너지 기울기를 보여줍니다."라고 설명합니다.

연구진은 접근 방식의 타당성을 검증하기 위해 육각형 구리 기질에서의 수지상 결정 성장을 연구하고 그 결과를 위상장 시뮬레이션에서 얻은 데이터와 비교했습니다.

"토폴로지와 자유 에너지를 통합함으로써, 저희 방법은 재료 분석에 대한 다재다능한 접근 방식을 제공합니다. 이러한 통합을 통해, 저희는 광범위한 재료에 걸쳐 원자 규모의 미세 구조와 거시적 기능 간의 계층적 연결을 확립하여 재료 과학의 미래 발전을 위한 길을 열 수 있습니다."라고 Kotsugi 교수는 말합니다.

"중요한 점은, 저희 방법이 5G를 넘어서는 고속 통신으로 이어지는 고품질 박막 장치의 개발로 이어질 수 있다는 것입니다."

이 연구의 프레임워크는 숨겨진 구조-기능 관계를 밝혀내고 복잡한 시스템 분석을 발전시킴으로써 센서 기술, 비평형 물리학, 고성능 소재 분야에서 획기적인 발전을 이룰 수 있는 길을 열 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250319143433.htm