손쉽게 자성상태 조절하는 2차원 자석 합성-2차원 물질 이용한 고성능 스핀소자 실현 앞당겨

손쉽게 자성상태 조절하는 2차원 자석 합성-2차원 물질 이용한 고성능 스핀소자 실현 앞당겨

보도일 2021-05-17 10:38 연구단명 원자제어 저차원 전자계 연구단

 

 

 

손쉽게 자성상태 조절하는 2차원 자석 합성

- 2차원 물질 이용한 고성능 스핀소자 실현 앞당겨 - 

 

자성상태 조절이 가능한 새로운 2차원 2차원 물질: 두께가 거의 없는 2차원 물질은 유연하고 투명하면서도 기존 3차원 물질과 전혀 다른 물리적 성질을 보인다. 차세대 전자 소자의 후보로 연구되고 있다.

 자성 물질이 발견됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅) 김준성 연구위원(POSTECH 물리학과 교수)과 POSTECH 화학과 심지훈 교수, 신소재공학과 최시영 교수를 비롯한 국내 공동 연구진은 4가지 서로 다른 자성 상태를 조절할 수 있는 2차원 자석을 합성해냈다. 이로써 하나의 소재에서 다양한 스핀 정렬 상태를 유도하는 것이 가능해져, 향후 차세대 스핀 소자에 대한 다양한 연구를 가능케 할 것으로 기대된다.

2차원 자석은 차세대 소자 후보인 스핀정보소자 스핀정보소자(spintronics): 스핀(전자가 가지고 있는 고유한 각운동량)을 정보 저장과 처리의 기본단위로 사용하는 소자. 전자가 가진 전하 정보를 사용하는 현재 소자(electronics)보다 전력소모가 적고 반응속도도 더 빠르며, 정보의 저장과 처리를 동시에 할 수 있어 차세대 소자로 주목받고 있다.

 구현에 필요한 핵심 소재 중 하나다. 그러나 2차원 자석 후보 물질이 드물고, 매우 낮은 온도에서만 자성이 나타나 적합한 소재를 확보하기 어려웠다. 연구진은 지난 해 고온에서도 자성이 유지되고 전기가 통하는 2차원 층상 물질 반데르발스 물질: 층간 결합이 반데르발스 결합으로 이뤄진 물질. 반데르발스 결합은 이온결합이나 공유결합과 달리 분자 간 정전기적 상호작용으로 생기는 것이라 상대적으로 매우 약하다. 때문에 쉽게 층을 분리할 수 있다.

인 철-저마늄-다이텔루라이드(이하 Fe4GeTe2)의 설계 및 합성에 성공한 바 있다.

전자 소자가 0과 1 정보를 담은 수많은 트랜지스터로 이루어지듯, 스핀 정보 입·출력을 위해서는 다양한 자성상태를 갖는 자석을 서로 접합시켜야 한다. 따라서 2차원 자석에서 자성상태를 조절하는 것이 중요한 과제였다.

연구진은 층 사이 자성결합 세기에 따라 Fe4GeTe2의 자성상태가 민감하게 변하는 데 착안했다. 이에 층간 결합 세기를 조절하기 위해 Fe4GeTe2의 일부 철 원자를 다른 원자로 치환하는 실험을 계획했다. 철 원자와 비슷한 망간, 코발트, 갈륨, 루테늄 원자를 후보로 하여, 각 원자로 치환했을 때 자성상태를 계산하고 실제 합성과 측정 실험을 수행했다.

그 결과 철을 코발트로 치환한 철-코발트-저마늄-다이텔루라이드(이하 Fe4-xCoxGeTe2)가 4가지 자성상태를 가질 수 있음을 발견했다. Fe4-xCoxGeTe2는 코발트 원자 농도에 따라 다른 자성상태를 갖는다. 이때 자성의 정렬에 따라 강자성 강자성과 반(反)강자성: 물질 내부의 스핀이 스스로 정렬하여 외부 자기장과 상관없이 자성을 띠는 특성. 강자성은 이웃한 스핀이 같은 방향으로, 반강자성은 서로 반대방향으로 정렬한 경우에 해당된다.  

과 반강자성, 방향에 따라 수직 이방성과 수평 이방성 이방성: 물질의 물리적 성질이 방향에 의존함

이 조합되는 4가지 자성상태를 가질 수 있었다.

이번에 발견한 물질은 코발트 농도 뿐 아니라 박막의 층수를 조절해 자성 상태를 조절할 수 있다. 4가지 자성상태는 특정 온도 영역에서 나타나는데, 층수에 따라 그 영역이 달라진다. 따라서 층수를 변경하면 같은 온도라도 다른 자성 상태를 갖게 된다.

이는 자성상태를 자유자재로 조절할 수 있는 최초의 2차원 자석을 합성한 성과로, 향후 서로 다른 자성상태의 층을 결합하면 스핀정보 처리에 유용한 특성을 유도할 수 있을 것으로 기대된다.

공동 교신저자인 김준성 연구위원은 “화학적인 조성과 물리적인 두께를 바꿔서 2차원 자석 후보 물질의 자성상태를 조절할 수 있음을 계산과 실험으로 보였다”며 “2차원 자석을 이용한 스핀소자에 여러 기능을 구현할 수 있는 중요한 발판이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 기초과학연구원과 한국연구재단 선도연구센터 사업의 지원을 받았으며, 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.121)’지에 5월 14일(한국시간) 온라인 게재됐다.

  [붙임] 1. 연구 추가설명  2. 그림설명  3. 연구진 이력사항

 

연 구 추 가 설 명

 

 

논문/저널/저자

Tunable high-temperature itinerant antiferromagnetism in a van der Waals magnet / Nature communications (2021)

Junho Seo,+ Eun Su An,+ Taesu Park,+ Soo-Yoon Hwang, Gi-Yeop Kim, Kyung Song, Woo-suk Noh, J. Y. Kim, Gyu Seung Choi, Minhyuk Choi, Eunseok Oh, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi,    J. -H. Park, Youn Jung Jo, Han Woong Yeom, Si-Young Choi*, Ji Hoon Shim*, Jun Sung Kim*

+ 공동 1저자, *공동 교신저자

연구내용

보충설명

- 스핀정보소자 (스핀트로닉스) 

보통의 반도체 소자는 전자의 고유 성질 중 하나인 전하(charge)의 흐름을 조절하여 정보를 처리한다. 전자는 양자역학적인 자기 특성을 의미하는 또 하나의 고유 성질인 스핀(spin)을 가지고 있는데, 이를 정보 저장과 처리의 기본단위로 하는 소자를 스핀 정보소자라 한다. 스핀을 정보로 활용하면 전하를 활용하는 것보다 전력손실이 매우 작고, 정보의 고속처리도 가능해지므로 차세대 정보소자로 주목받고 있다. 스핀트로닉스에는 스핀 정보를 생성, 전달, 조절하는 기술이 각각 필요한데, 이를 구현할 핵심 소재로 2차원 물질이 꼽힌다. 최초의 2차원 물질인 그래핀은 스핀 정보를 ‘전달’하는 데에, 반도체 특성을 갖는 2차원 전이금속 칼코젠* 화합물은 스핀 정보를 ‘조절’하는 데 우수한 성능을 보인다. 

*전이금속 칼코젠 화합물: 주기율표에서 d 오비탈에 전자가 차 있는 원소인 전이금속 원소과 16족 (산소족) 원소인 황, 셀레늄, 텔레륨으로 이뤄진 화합물

 

- 반강자성 및 반강자성체

물질 내부의 전자가 가진 스핀이 인접한 스핀과 자발적으로 반대로 정렬된 상태를 반강자성 상태라고 하고 이러한 반강자성 상태가 나타나는 물질을 반강자성체라고 한다. 반강자성체에서 스핀이 정렬되는 축을 이용하면, 스핀 정보의 0과 1을 정의할 수 있다. 반강자성체는 강자성체와는 달리 표유자기장이 매우 작아 스핀 정보소자를 만들 때 집적도를 매우 높일 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 반강자성체에서는 스핀의 동작이 강자성체에서보다 훨씬 빠르고 외부자기장에 의해 그 스핀정보가 쉽게 변하지 않는 것도 장점이다.

- 2차원 물질 및 반데르발스 (Van Der Waals) 물질

층상 구조를 갖는 물질 중에 층간 결합이 반데르발스 결합으로 이뤄진 물질을 반데르발스 물질이라고 한다. 반데르발스 결합은 이온결합이나 공유결합과 달리  분자간의 정전기적인 상호작용으로 생기는 것이라 상대적으로 매우 약하다. 따라서 반데르발스 물질 내의 원자층 간에 형성된 약한 반데르발스 결합을 선택적으로 깨뜨리면 단일 원자층으로 이뤄진 2차원 물질을 얻을 수 있다. 이러한 2차원 물질은 유연하고 투명하면서도 기존 소재 대비 독특하거나 우수한 특성이 발현되는 경우가 많아 최근 전 세계적으로 많은 연구가 되고 있다. 

연구 이야기

[연구 배경] 차세대 정보 소자로 여겨지는 스핀정보소자 구현의 핵심 소재 중 하나인 2차원 자석은 최근 세계적으로 활발히 연구되고 있다. 2차원 강자성체를 이용한 스핀정보소자는 자화상태를 조절하는 기본적인 기능이 구현되는 등 유의미한 성과가 보고되고 있다.

 최근에는 이러한 강자성체를 이용하는 대신 반강자성체를 이용하면 더욱 빠른 속도와 높은 집적도를 가지는 스핀정보소자 구현이 가능하다는 연구결과가 보고되었다. 그러나 반강자성체는 자화상태의 조절 및 감지가 어렵다는 문제가 있었다. 이에 박막증착기술을 이용해 강자성체를 교차로 쌓아올린 합성형 반강자성체가 대안으로 제시되기도 하나, 계면의 거칠기 등 소자의 품질문제가 중요한 해결과제이다. 반데르발스 물질에서 이와 같은 반강자성 구조를 구현해낼 수 있다면, 높은 결정성과 원자수준의 평평한 계면을 가진 소자를 만들어낼 수 있을 것이다. 하지만, 대부분의 반데르발스 반강자성체 물질은 자성을 띠는 온도가 매우 낮거나 전기가 흐르지 않아 응용성이 적었다.

 

[연구 과정] 본 연구는 연구진이 2020년 직접 설계·합성에 성공했던 반데르발스 강자성체 물질 Fe4GeTe2를 활용하여 기획되었다. 전자구조 계산으로부터 물질 내 층간 자성 상호작용이 화학 조성에 민감하게 반응하는 것을 확인했고, 이를 조절하기 위해 철 대신 비슷한 원소인 망간, 코발트, 갈륨 그리고 루테늄으로의 치환을 통해 반강자성 상태로 변화를 시도했다. 어떠한 원소가 철을 대신해 잘 치환되고 물질 합성이 되는지 찾아내기 위해 다양한 합성조건에서 적합한 원소를 찾아내야했다. 또한 새로 합성된 물질이 갖는 결정구조 및 물성의 확인에는 다양한 첨단 측정 기법이 필요했다. 국내 응집물질 물리 분야의 여러 연구팀 (기초과학연구원, 포스텍, 한국재료연구원, 막스플랑크 한국/포스텍 연구소 경북대)과 일본 연구팀이 각자의 강점과 전문성을 발휘하여 좋은 결실을 맺었다.

 

[어려웠던 점] 반데르발스 자성체 연구는 세계적으로 활발하나, 전기전도성을 가지는 반데르발스 자성체는 그 후보 물질이 매우 제한적이다. 이렇게 제한된 후보들 중에서 물질을 변형해 원하는 새로운 자성상태를 발현해내는 것은 새로운 물질 개발만큼이나 매우 도전적인 과제이다. 계산-합성-구조 확인-물질 특성 측정-소자 제작-소자 특성 측정에 이르는 전체 연구과정은 서로 다른 전문성을 가진 공동 연구자들의 협력을 통해서만 가능한 일이었다. 각 단계에서 부딪힌 어려움은 공동 연구팀의 각각의 노하우가 하나씩 모이면서 해결되었고 결실을 볼 수 있었다. 

 

[성과 차별점] 이번 성과는 전기전도성을 띠는 2차원 자성체에서 자성을 바꾸는데 전기전도성을 조절하는 것이 효과적이라는 점을 보여준다. 이로부터 새로 발견된 2차원 반강자성체는 기존의 전도성을 가진 2차원 반강자성체에 비해 훨씬 높은 온도에서도 자성을 유지하기 때문에 스핀 정보소자 연구에 중요한 발판이 될 것으로 기대된다.

 

[향후 연구계획] 추가 연구를 통해 다양한 2차원 물질들과의 결합을 통해 다양한 스핀 정보소자를 구현해내는 것이 목표이다.

 

 

 

그   림   설   명

 

 

[그림 1] 새로운 2차원 반강자성체의 설계 및 합성

(가운데) 반데르발스 강자성체 Fe4GeTe2에 철(Fe) 대신 코발트(Co)를 치환하여 층간 자성 상호작용을 조절해 4가지 강자성과 반강자성 상태를 유도했다. (왼쪽 위) 수직 이방성을 갖는 강자성 상태 (왼쪽 아래) 수평 이방성을 갖는 강자성 상태 (오른쪽 위) 수직 이방성을 갖는 반강자성 상태 (오른쪽 아래) 수평 이방성을 갖는 반강자성 상태.

 

 

[그림 2] 2차원 자석의 도핑 후 사진

가장 오른쪽 사진 Fe4GeTe2에 철 일부가 코발트로 치환된다. 왼쪽은 치환된 후의 (Fe,Co)4GeTe2으로, 노란색 부분을 확대해 보았을 때 치환 전과 구조가 거의 흡사함을 볼 수 있다.

 

 

[그림 3] 코발트 원자 농도와 두께에 따른 자성변화 상그림

(왼쪽) 코발트 원자 비율에 따른 4가지 자성상태. 가로축은 Fe4GeTe2의 전체 철 원자 중 코발트 원자로 치환한 비율 x, 세로축은 온도 구간을 나타낸다. 코발트 원자 농도가 낮으면 강자성 (FM)이 나타나고, 온도가 높으면 수평 이방성, 낮으면 수직 이방성을 가짐을 볼 수 있다. 반면 코발트 원자 농도가 높을 때는 반강자성(AFM)을 가져, 총 4가지 다른 자성 상태가 나타난다. (가운데, 오른쪽) 철 원자 중 33%, 39%가 코발트 원자로 치환됐을 때 층 수(d)에 따른 자성상태 변화. 가운데 33%일 때는 층수가 줄어들면서 반강자성(AFM) 상태가 강자성(FM) 상태로 변하고, 조성이 달라진 오른쪽에서는 서로 다른 온도에서 자성상태가 공존함을 볼 수 있다.

 

연구진 이력사항

 

<김준성 IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단 학연연구위원, 공동 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단

            포스텍 물리학과

 

 

 

 

 

2. 경력사항

  2004 – 2008 독일 막스플랑크 고체연구소 연구원

  2008 - 2009 서울대학교 물리학과 BK 연구교수

  2009 - 현재 포스텍 물리학과 교수

  2016 - 현재 IBS 원자제어저차원전자계 연구단 연구위원, 학연연구위원

 

3. 수상내역

  2014 한국물리학회 신진 물리학자상 수상

  2018    한국초전도학회 삼동초전도학술상 수상

 

 

<심지훈 포항공대 화학과 교수, 공동 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 포항공과대학교 화학과                    

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

  2005 - 2005 포스텍 물리학과 박사후연구원

  2006 - 2009 Rutgers Univ. 물리학과 박사후연구원

  2009 - 현재 포스텍 화학과 교수

 

<최시영 포항공대 신소재공학과 부교수, 공동 교신저자> 

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 포항공과대학교 신소재공학과 

 

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

  2004 – 2005 일본 도쿄대학교 박사후 연구원

  2005 – 2006 영국 옥스퍼드대학교 박사후 연구원 (KOSEF fellow)

  2006 – 2007     일본 도쿄대학교 박사후 연구원 (JSPS fellow)

  2008 – 2017 한국기계연구원 부설 재료연구소 선임/책임연구원

  2016 – 2017 한국기계연구원 부설 재료연구소 재료설계분석실 실장

  2017 – 현재 포스텍 신소재공학과 교수

 

3. 수상내역

  2007 Outstanding Young Scientist, International Conference on Recrystallization and Grain Growth 

  2008 & 2016 재료연구소 개인 학술상    

  2017 Excellence in Research Award (First place), APL Materials