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| 흑린에서 ‘유사스핀 반도체’를 발견한 연세대 김근수 교수팀 연구는 국제학술지 네이처 머티리얼스지(Nature Materials)에 2월 4일 게재됐다. (자료출처=네이처 머티리얼스지/제공=연세대 김근수 교수팀) |
[아시아뉴스통신=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 연세대 물리학과 김근수 교수 연구팀이 흑린에서 ‘유사스핀 반도체’를 발견했다고 4일 밝혔다.
오늘날 반도체 기술은 전자의 기본 성질인 ‘전하’와 ‘스핀’에 의존해 왔다.
예를 들어 전기장으로 전하의 흐름을 제어해 전자 소자(일렉트로닉스)를 만들거나 자기장으로 스핀의 방향을 제어해 정보를 저장하거나(메모리, 하드디스크) 신개념 전자소자(스핀트로닉스)를 만들 수 있다.
한편 자연에 존재하는 다양한 물질 중 일부는 구성 원자들이 벌집 모양으로 배열되어 있으며 이 경우 전자의 유사스핀이라는 새로운 성질이 나타나게 된다.
이 유사스핀는 두 개의 부분 격자를 갖는 물질에만 나타나는 전자의 새로운 성질로 전자의 스핀과 유사한 성질을 갖는다.
만약 유사스핀을 한 방향으로 정렬시키거나 그 방향을 제어할 수 있다면 새로운 개념의 반도체 소자(유사스핀트로닉스)를 개발할 수 있을 것으로 기대를 모았으나 지금까지 그러한 물질은 발견하기 어려웠다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 물질의 벌집구조에 특정 방향으로 주름이 생길 경우 유사스핀이 그 방향으로 정렬된다는 사실을 발견했다.
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| 흑린에서 ‘유사스핀 반도체’를 발견한 연세대 김근수 교수팀 연구는 국제학술지 네이처 머티리얼스지(Nature Materials)에 2월 4일 게재됐다. (자료출처=네이처 머티리얼스지/제공=연세대 김근수 교수팀) |
연구과정을 보면 물질의 구성 원자가 주름진 벌집 모양으로 배열될 경우 유사 스핀이 한 방향으로 정렬된다는 사실을 발견했고 이러한 양자 상태를 ‘유사스핀 반도체’라 명명했다.
또 흑린(black phosphorus)에 주목해 활용했는데 인(P)원자로 만들어진 검은 빛깔의 신소재 흑린은 구성 원자가 주름진 벌집 모양의 배열된 구조를 갖고 있다.
이후 흑린의 유사스핀 방향을 측정하기 위해 편광된 빛과 각분해광전자분광을 바탕으로 실험 기법을 고안해 활용했다.
이 각분해광전자분광은 빛을 물질에 조사하여 발생된 광전자의 에너지와 각도를 측정해 물질의 전자 구조를 연구하는 대표적인 실험기법이다.
그 결과로 95% 이상 한 방향으로 정렬되어 있음을 확인했고 유사스핀 반도체를 발견한 것이다.
이 연구결과에 의하면 흑린의 유사스핀 정렬현상은 상온에서 안정적이고 두께와 무관하게 나타나기에 더욱 활용성이 높다.
김근수 교수는 “자성반도체의 발견이 스핀트로닉스 분야를 개척한 사례에 비춰 볼 때 유사스핀 반도체의 발견은 ‘유사스핀트로닉스’라는 차세대 반도체 연구의 신생 분야로 이어질 수 있을 것”이라고 말했다.
이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업의 지원으로 수행됐고 국제학술지 네이처 머티리얼스지(Nature Materials)에 2월 4일 게재됐다.
