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차세대 양자 소재 물성, 이론적 예측 대신 직접 측정한다-이차원 위상 자성체 물질의 고에너지 스핀의존 전자구조, 세계 최초로 측정

하이거 2022. 8. 28. 12:53

차세대 양자 소재 물성, 이론적 예측 대신 직접 측정한다-이차원 위상 자성체 물질의 고에너지 스핀의존 전자구조, 세계 최초로 측정

작성자관리자 작성일자2022-08-23 09:00

 


차세대 양자 소재 물성, 이론적 예측 대신 직접 측정한다
- 이차원 위상 자성체 물질의 고에너지 스핀의존 전자구조, 세계 최초로 측정 -
- 차세대 양자위상‧양자정보 소재 개발을 위한 실용화 연구 가능성 확대-


# 2004년 꿈의 소재로 불리는 그래핀이 처음 발견된 이후, 그래핀과 같은 이차원 물질로 신소재를 개발하기 위한 연구가 활발해졌다. 최근 수년 사이에는 이차원 위상을 갖추면서 자성을 띠는 물질에 특히 관심이 집중되고 있다. 

국내 출연연‧대학 공동연구팀*이 세계 최초로 이차원 위상 자성체 물질의 스핀의존 전자구조를 넓은 에너지 영역에서 측정하는 데 성공했다.

* 한국표준과학연구원(KRISS), 세종대학교, 포항공과대학교(POSTECH), 서울대학교, 기초과학연구원(IBS), 한국기초과학지원연구원

이차원 위상 자성체 물질은 미래 양자정보‧메모리소자의 핵심 소재로 주목받는 물질이다. 자성체의 물성을 파악하기 위해서는 이를 좌우하는 전자의 스핀 정보를 정확히 측정해야 한다.

지금까지는 전자의 스핀 정보는 아주 작은 에너지 영역에서만 제한적으로 측정 가능해, 상당 부분은 이론적 예측 연구에 의존해야 했다. 전자의 스핀 정보가 외부의 물리적‧화학적 환경에 민감하게 반응해 작은 변화에도 쉽게 손실되기 때문이다. 

이번 성과는 그동안 이론적 예측에 머물러 왔던 이차원 위상 자성체 물질의 고에너지 스핀의존 전자구조를 직접 측정한 전세계 첫 사례다.

연구팀은 스핀의존 전자터널링분광법을 이용해 이차원 위상 강자성체 물질인 Fe3GeTe2(FGT)의 고에너지 스핀의존 전자구조를 직접 측정하고, 이를 이론적 예측값과 비교, 분석해 정확성을 검증했다. FGT는 이차원 상태에서도 자성과 도체성을 띠는 양자위상 물질로, 차세대 양자스핀 및 정보소자 구현의 핵심 소재로 주목받고 있다.

 ◦ 전자터널링분광법은 전자터널링 장벽을 이용해 고체 물질의 전자구조를 에너지 변화에 따라 측정하는 기법이다. 기존에 이 기법에 사용된 터널접합 구조는 물리적‧화학적 불안정성이 높아 고에너지 영역에서 스핀 정보를 측정하기 어려웠다. 이번 연구에서는 외부 환경변화에 안정적인 박막소재를 FGT와 반데르발스 결합* 방식으로 구성해, 스핀 정보의 손실 없이 고에너지 스핀의존 전자구조 측정이 가능했다.

      * 원자와 분자 사이에 작용하는 당기거나 밀어내는 물리적인 결합력. 

이번에 개발한 이차원 자성체의 스핀 물성 측정 및 분석 기술은 차세대 양자위상‧양자정보 소재 개발을 위한 기초 기술로 널리 활용될 수 있다. 또한 실험에 사용된 무결점 반데르발스 결합 소자 구성은 양자 메모리, 확률적 변이 메모리 등의 차세대 스핀‧초전도 양자 소자에도 응용 가능하다. 

KRISS 저차원소자물질연구팀 정수용 책임연구원은 “이번 성과는 국내 양자소재 전문가들이 결집해 달성한 쾌거”라며 “그간의 이론적 예측 연구에 응답할 수 있는 측정결과를 제시해, 차세대 양자소재 실용화 연구에 새로운 가능성을 보여줬다”고 밝혔다.

KRISS 기본사업과 한국연구재단 기초연구사업, IBS 원자제어저차원 전자계연구단, IBS 강상관계물질연구단의 지원을 받은 이번 연구의 성과는 소재 분야의 세계적인 학술지인 네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF: 47.656)에 8월 5일 온라인 게재됐다.

붙임1
연구성과 추가 설명


■ 용어 설명

○ 위상 자성체 (topological magnet): 자성과 위상학적 전자상태(고체 물질의 전자구조가 뫼비우스의 띠처럼 꼬여준 구조를 가질 때 나타나는 전자상태)를 동시에 갖는 물질.

○ 스핀의존 전자구조 (spin-dependent electronic structure): 이방성 (예: N극, S극) 자성체 물성을 결정짓는 고체 물질내 스핀평향 전자의 에너지-운동량 밴드 구조

○ 스핀의존 전자터널링 분광법 (spin-dependent electron tunneling spectroscopy): 초전도, 자성체 금속 및 자기 반도체의 스핀의존 전자구조, 특히 전자 밀도 변화를 에너지 변화에 따라 측정할 수 있는 실험 기술. 

○ 반데르발스 결합 (van der Waals interaction): 네덜란드의 물리학자 반데르 발스가 발견한 개념으로, 원자와 분자 및 물질의 표면 사이에서 작용하는, 당기거나 밀어내는 물리적인 결합력. 천장에서 떨어지지 않고 기어다니는 게코도마뱀, 액체의 표면장력 등을 반데르발스 결합으로 설명할 수 있음.

○ 반데르발스 결합 복합구조 (van der Waals heterostructure): 이차원 단결정 박막 물질을 반데르발스 결합력만으로 구성한 인위적 구조체.

○ 확률적 변이 메모리(stochastic memory device): 낮은 에너지장벽으로 분리된 두 전자상태의 임의적 상태변화를 이용한 전자소자.

○ TMR (tunneling magnetoresistance): 얇은 절연체의 터널링장벽으로 분리된 두 개의 강자성체로 구성한 자기터널접합소자에서 발생하는 자기저항효과.

○ 페르미에너지: 절대온도 0도에서 어떤 물질에 존재하는 전자들의 에너지준위 중 가장 높은 에너지준위에 해당하는 에너지.

○ 스핀트로닉스(spintronics): 전자의 자기적인 회전을 뜻하는 스핀(spin)과 전자공학(electronics)의 합성어로, 자기장을 이용해 전자와 그 전자의 스핀 방향을 원하는 대로 제어하는 새로운 개념의 전자공학. 이 기술이 현실화되면 현재의 메모리반도체인 D램보다 훨씬 많은 양의 정보를 저장할 수 있고, 정보처리와 정보저장을 동시에 할 수 있어 미래 정보혁명을 실현시킬 수 있는 주요 기술 가운데 하나로 꼽힘.


■ 연구개발 과정 

  이번 연구에서는 외부 환경 및 측정 조건에 민감하게 반응하는 스핀의존 전자터널링 분광법의 한계를 극복하기 위해 위상 강자성체 FGT를 스핀 생성과 검출기로 활용하고 이차원 부도체 hBN 박막을 터널접합 매개체로 이용하여 순수 반데르발스 결합 FGT-hBN-FGT 스핀 밸브 MTJ 소자를 구성하였다. 순수 반데르발스 MTJ 소자의 물리적, 화학적 안정성에 의해 스핀 의존 전자터널링 신호의 신호-대-잡음 비율을 획기적으로 향상시킬 수 있었으며, 외부 자기장 및 전기장 변화에 따른 TMR 변화를 이론적 실험적 접근법을 활용하여 정밀 측정, 분석하였다.


■ 기존 기술과의 차별점

  이번 연구 성과는 소자 구조 및 측정 방법의 최적화를 통하여 스핀 의존 전자 터널링 분광법의 정밀도를 극대화하고 위상 자성체 FGT의 스핀 의존 전자 밴드 구조를 넓은 에너지 영역에서 정밀 측정한 결과이다. 현재까지 활용되어 온 스핀 물성 측정법은 자성체-부도체 경계면의 물리적, 화학적 불안전성으로 인해 낮은 전자 에너지 영역, 즉 페르미에너지 주변 물성 측정에만 제한적으로 가능했다. 

  이번 연구에서는 이차원 단결정 소재들로 구성한 순수 반데르발스 결합 무결점 자성체-부도체 스핀접합 소자를 구성하고, 스핀의존 전자터널링 측정을 통해 위상 자성체 물질의 스핀의존 전자구조를 수 eV의 고에너지 영역까지 확장하여 정밀 측정하였다. 이번 성과는 그동안 측정의 어려움으로 실험적 접근이 어려웠던 자성체 물질의 고에너지 특성을 최초로 직접 측정한 결과이며, 차세대 스핀트로닉스 소자 응용에 위상 자성체 물질의 고에너지 스핀 물성 활용화 가능성을 보여주는 결과이다. 


■ 활용 분야

1. 이번 연구를 통해 확립된 위상 자성체 스핀 물성 측정 및 분석 기술은 양자소재 개발의 중심에 있는 위상 자성체 물질의 기본 물성 이해를 돕고 나아가 양자물성을 이용한 차세대 소자 응용 가능성 확대를 도모할 수 있다. 이는 향후 국가 연구사업의 핵심으로 대두되고 있는 양자소재/양자물질 개발 연구의 기초 기술로 활용될 수 있다. 

2. 본 연구진이 활용한 순수 반데르발스 결합 하이브리드 소자는 외부 환경 변화에 민감한 개별 소재의 양자적 특성을 유지하며 다양한 조합의 복합소자 구성이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 소자제작 기술을 이용하여 위상 자성체 물질과 초전도/강유전/반도체/도체/부도체성의 다른 양자 소재와의 결합으로 새로운 개념의 차세대 스핀트로닉스 및 양자정보 소자 응용 가능성을 확대할 수 있을 것이다.


■ 지원사업 

○ 한국표준과학연구원 기본사업(첨단소재 측정플랫폼 기반구축)
○ 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구사업
○ IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단 사업
○ IBS 강상관계 물질 연구단 사업

■ 논문 정보

 ○ 저널명(IF 기재): Nature Materials (IF: 47.656) 
 ○ 논문제목: Tunable spin injection and detection across a van der Waals interface
 ○ 일자: 2022.08.05. (온라인 게재)
 ○ URL: https://www.nature.com/articles/s41563-022-01320-3 


붙임2
사진 자료


▲ 연구진이 이차원 위상 강자성체의 고에너지 스핀의존 전자구조 측정결과를 검토하고 있다


▲ 반데르발스 결합 무결점 접합구조를 적용해 제작한 FGT 기반 자화터널소자

▲ KRISS 저차원소자물질연구팀
(뒷줄 좌측부터 시계방향으로) 정수용 책임연구원, 이덕현 박사후연구원, 하동한 책임연구원, 이인호 책임연구원, 민근홍 학생연구원


▲ 무결점 반데르발스 결합 FGT 소자의 광학 현미경 이미지


▲ 무결점 반데르발스 결합 FGT 소자의 에너지 변화에 따른 자기저항효과 예측결과(좌) 및 측정결과(우)





붙임3
KRISS 정수용 책임연구원 프로필

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 정 수 용 
 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 소재융합측정연구소 저차원소자물질연구팀
 ○ 직 위 : 책임연구원  
 



2. 경력사항
 ○ 2007.11– 2012.03, 미국 표준기술연구원 박사후연구원
 ○ 2012.04– 2016.02, 한국표준과학연구원 선임연구원
 ○ 2016.03– 현재, 한국표준과학연구원 책임연구원

3. 학회활동
 ○ 한국물리학회 정회원
 ○ 미국물리학회 정회원

4. 전문 분야 정보
 ○ 저차원 양자소자 제작 및 전자물성 정밀 측정
    
5. 발표논문 및 특허
 ○“Tunable spin injection and detection across a van der Waals interface” Nature Materials (2022) 및 Science, Nature Physics, Nature Communications 포함 SCI급 논문 40여편 발표


붙임4
POSTECH 김준성 교수 프로필  


1. 인적사항
 ○ 성 명 : 김 준 성
 ○ 소 속 : POSTECH 물리학과 및 IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단
 ○ 직 위 : 교수
 

 

2. 경력사항
 ○ 2004 – 2008 독일 막스플랑크 고체연구소 연구원
 ○ 2008 - 2009 서울대학교 물리학과 BK 연구교수
 ○ 2009 - 현재 POSTECH 물리학과 조/부/정교수
 ○ 2016 - 현재 IBS 원자제어저차원전자계 연구단 연구위원, 학연연구위원

3. 학회활동
 ○ 한국물리학회 정회원
 ○ 미국물리학회 정회원

4. 전문 분야 정보
 ○ 저차원 양자물질 합성 및 극한물성 측정
    
5. 발표논문 및 특허
 ○“"Colossal angular magnetoresistance in ferrimagnetic nodal-line semiconductors" Nature (2021) 포함 SCI급 논문 120여편 발표



붙임5
세종대 엄종화 교수 프로필


1. 인적사항
 ○ 성 명 : 엄 종 화
 ○ 소 속 : 세종대학교 물리학과
 ○ 직 위 : 교수
 



2. 경력사항
 ○ 1998.03– 1999.02, 미국 University of Chicago 박사후연구원
 ○ 1999.03– 2001.02, 미국 Naval Research Laboratory 박사후연구원
 ○ 2001.03– 현재, 세종대학교 물리학과 교수
 ○ 2018.08– 현재, 세종대학교 부총장
 
3. 학회활동
 ○ 한국물리학회 평의원
 ○ 한국자기학회 평의원

4. 전문 분야 정보
 ○ 스핀소자, 나노소자 제작 및 전자물성 정밀 측정
    
5. 발표논문 및 특허
 ○ “Tunable spin injection and detection across a van der Waals interface” Nature Materials (2022) 및 Science, Nature Communications 포함 SCI급 논문 130여편 발표