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IBS, 차세대 정보 저장·처리 소자 활용 ‘2차원 자성체’ 설계

[대전세종충남=아시아뉴스통신] 이기종기자 송고시간 2020-01-22 09:01

상온에서 자성을 띠는 철-저마늄-다이텔루라이드(Fe4GeTe2)를 설계·합성해 2차원 자석을 개발한 기초과학연구원(IBS) 김준성 연구위원(포항공대 물리학과) 등 국내외 연구는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 12.804)’에 1월 18일 게재됐다.(자료출처=사이언스 어드밴시스/제공=포항공대 김준성 교수팀)


[아시아뉴스통신=이기종 기자] 기초과학연구원(IBS)은 원자제어 저차원 전자계 연구단 김준성 연구위원(포항공대 물리학과)이 포항공과대학교 화학과 심지훈 교수, 신소재공학과 최시영 교수 등과 공동으로 상온에서 자성을 띠는 철-저마늄-다이텔루라이드(Fe4GeTe2)를 설계·합성해 2차원 자석을 만들었다고 22일 밝혔다.

보통의 반도체 소자는 전자의 고유 성질 중 하나인 전하(charge)의 흐름을 조절해 정보를 처리한다.

전자는 양자역학적인 자기 특성을 의미하는 또 하나의 고유 성질인 스핀(spin)을 가지고 있는데 이를 정보 저장과 처리의 기본단위로 하는 소자를 스핀 정보소자(spintronics)라 한다.

특히 강자성체에서 한 쪽으로 정렬된 스핀 방향을 이용하면 스핀 정보의 0과 1을 정의할 수 있어 스핀 정보소자에서 강자성체는 스핀 정보를 생성하거나 스핀 정보를 저장하는 데 활용되는 핵심요소이다.

이 스핀을 정보로 활용하면 전하를 활용하는 것보다 전력손실이 매우 작고 정보의 고속처리도 가능하게 되기 때문에 차세대 정보소자로 주목받고 있다.
 
현재 전자의 자기적인 방향을 뜻하는 스핀과 전자공학을 응용하는 새로운 개념의 정보기술인 스핀정보소자(스핀트로릭스, spintronics)에는 스핀 정보를 생성, 전달, 조절하는 기술이 각각 필요한데 이를 구현할 핵심 소재로 2차원 물질이 꼽힌다.

최초의 2차원 물질인 그래핀은 스핀 정보를 ‘전달’하는 것이고 반도체 특성을 갖는 2차원 전이금속 칼코젠 화합물은 스핀 정보를 ‘조절’하는 데 우수한 성능을 보인다.

이 전이금속 칼코젠 화합물은 주기율표에서 d-오비탈에 전자가 차 있는 원소인 전이금속 원소과 16족 (산소족) 원소인 황, 셀레늄, 텔레륨으로 이뤄진 화합물이다.

그러나 층상 구조를 갖는 물질 중에 층간 결합인 반데르발스 결합은 이온결합이나 공유결합과 달리 분자간의 정전기적인 상호작용으로 생기는 것이라 상대적으로 매우 약하다.

이에 반데르발스 물질 내의 원자층 간에 형성된 약한 반데르발스 결합을 선택적으로 깨뜨리면 단일 원자층으로 이뤄진 2차원 물질을 얻을 수 있다.

최근 이러한 2차원 물질은 유연하고 투명하면서도 기존 소재 대비 독특하거나 우수한 특성이 발현되는 경우가 많아 최근 전 세계적으로 많은 연구가 되고 있다.

이번 연구진은 이러한 제한점을 해결하기 위해 물질 설계를 통해 반데르발스 자성체의 설계가 실제로 가능하고 우수한 특성의 물질을 발견했다.
 
상온에서 자성을 띠는 철-저마늄-다이텔루라이드(Fe4GeTe2)를 설계·합성해 2차원 자석을 개발한 기초과학연구원(IBS) 김준성 연구위원팀(포항공대 물리학과) 등 연구는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 12.804)’에 1월 18일 게재됐다.(자료출처=사이언스 어드밴시스/제공=IBS)

연구과정을 보면 스핀정보소자에 유리한 2차원 자석을 설계하기 위해 연구를 기획했다.

2차원 물질은 스핀 정보의 생성·전달·조절을 할 수 있는 핵심 소재로 꼽히는데 이 중 스핀 정보‘생성’에 필요한 강자성(자석처럼 외부 자기장과 상관없이 자성을 띠는 특성)을 띠는 2차원 물질은 매우 드물고 대부분 전기가 흐르지 않거나 극저온에서만 자성이 발현돼 응용성이 적었다.
 
이에 연구진은 한 층씩 떼어낼 수 있는 반데르발스 물질 중 철(Fe)원자가 포함된 물질에 주목했다.

특히 철 원자 때문에 자성을 띠면서 전기가 통할 수 있기 때문이고 여기에 층간 결합을 약하게 만드는 텔루륨(Te) 원자를 넣어 원자 한 층을 분리하기 쉽게 했다.

또 전자구조 계산(제일원리계산)을 통해 11000개에 이르는 다양한 철 기반 후보물질의 안정성과 자성을 예측했다.

그중에서 2차원으로 분리할 수 있는 반데르발스 물질 후보를 3개 찾아냈고 체계적인 소재 합성을 통해 예측한 물질 중 Fe4GeTe2를 합성하는 데 성공했다. 

이 연구결과에 의하면 개발된 Fe4GeTe2의 특성으로 이 물질이 강자성을 나타내는 온도는 0~10℃로 기존 2차원 자석이 영하 200~영하 50℃ 부근에서 자성을 띠는 데 비해 매우 높았다.

또 수 나노미터 두께 층으로 떼어냈을 때도 강자성이 그대로 유지됐고 스핀 상태가 열에 쉽게 변하지 않아 스핀 정보 보존에 유리하다.

김준성 연구위원은 “물질 설계와 합성, 소자 제작 및 측정을 아우르는 이번 연구는 국내외 다양한 분야 연구진의 협업으로 가능했다”며 “이번 성과를 바탕으로 자성이 더 강한 2차원 물질을 발견할 수 있을 것”이라고 말했다.

이 연구는 기초과학연구원과 한국연구재단 선도연구센터 사업의 지원을 받았고 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 12.804)’에 1월 18일 게재됐다.



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