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이웃집과학자

반데르발스 자성체 비밀 밝혔다

By 이웃집과학자

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한국과학기술연구원(KIST) 스핀융합연구단 장차운, 최준우, 류혜진 박사팀이 기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단 박세영 박사팀과 공동 연구를 통해 최근 차세대 반도체인 '스핀트로닉스' 소재로 주목받고 있는 반데르발스 자성체(Fe3GeTe2, FGT)의 자성 특성을 제어하는 데 성공했다고 밝혔습니다. 이번 연구는 <Nano Letters>게재됐습니다. 

이차원 자성체를 이용한 차세대 스핀 반도체 소자 개념도(위). 공동연구진이 규명한 반데르발스 자성체(FGT)의 자성 특성 제어법을 활용한 반도체 소자 모식도(아래).

출처KIST
새로운 소재로 바뀔 수 있는 '반데르발스 물질'

반데르발스(van der Waals) 물질이란 층간 결합이 반데르발스 결합, 즉 약한 층간 결합으로 이루어진 층상구조 물질입니다. 2차원 물질인 그래핀을 포함해 이황화몰리브덴 등 다양한 물질이 존재합니다. 또한 다른 2차원 물질과의 조합을 통해 기존에 없던 새로운 소재로 바뀔 수 있어 그간 초전도성, 반도체성, 금속성, 절연성 등의 다양한 성질의 2차원 물질이 연구돼 왔습니다.

특히 2017년 새로운 2차원 반데르발스 자성체들이 발견되며 전 세계적으로 연구에 속도가 붙기 시작했습니다. 하지만 이러한 반데르발스 자성체는 퀴리온도, 보자력(Coercivity) 등의 자성 특성이 소자 응용에 적합하지 않아 스핀트로닉스 소재로서 한계에 봉착하고 있었습니다.


  • 스핀트로닉스(Spintronics)

전자의 스핀(spin)과 전자공학(electronics)의 합성어. 전자의 양자역학적 성질인 스핀 특성을 이용하는 소자로 기존 실리콘 반도체를 대체하고자 하는 새로운 패러다임의 전자공학.

  • 퀴리온도(Curie temperature)

 강자성체가 강자성 상태에서 상자성 상태로 변하거나 그 반대로 변하는 전이온도

  • 보자력(Coercivity)

강자성 물질을 자기장을 걸어 포화상태가 되게 한 후, 역방향의 자기장을 가해 자성체 내의 자속밀도가 0이 되도록 하는데 필요한 자기장의 세기


반데르발스 자성체, 제어할 수 있는 방법 찾았다

KIST-IBS 공동 연구진은 최근 발견돼 많은 연구들이 진행되고 있는 층상구조를 가진 반데르발스 자성체인 'FGT'의 특성을 효율적으로 제어할 수 있는 방법과 원리를 찾아냈습니다. 연구진은 실험적으로 전자의 개수를 조절하며 자성체를 관찰한 결과, 반데르발스 자성체(FGT)의 특성 변화가 생기는 것을 확인했습니다. 연구진은 그 원인이 제어한 전자의 개수로 자성체 내부에서 자화 방향에 따라 에너지가 바뀌는 현상(자기이방성, Magnetic anisotropy) 때문이라는 사실을 밝혔습니다.


FGT nano flake의 자화곡선(왼쪽)과 도핑에 따른 자기이방성과 자기모멘트(오른쪽).

출처KIST

이번 연구결과는 반데르발스 자성체(FGT)의 자성 특성 변화 원인을 규명함으로써, 향후 다양한 2차원 자성체의 자성 특성을 효과적으로 제어할 수 있는 가능성을 제시하게 됐습니다. 또한, 연구진에 따르면 원자 한 층 두께에 자성을 구현할 수 있는 반데르발스 물질의 특성 제어 가능성이 높아진다면 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전자를 이동시키는 스핀트로닉스 소자의 개발도 한층 빨라지게 될 것으로 전망한다고 밝혔습니다.


FGT nanoflake의 자성 특성

출처KIST

KIST 류혜진 박사는 "반데르발스 자성체 특성을 밝혀 스핀트로닉스 소자로 응용해 보고자 연구를 시작하게 됐다"며 "향후 반데르발스 자성물질과 다른 반데르발스 물질들의 이종 접합구조를 이용해 보다 다양한 특성의 반도체 신소재 개발이 가능해질 것으로 기대하고 있다"고 밝혔습니다.


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