자성상태 조절이 가능한 새로운 2차원¹⁾ 자성 물질이 발견됐다. 기초과학연구원원자제어 저차원 전자계 연구단은 POSTECH 등 국내 공동 연구진과 함께 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.

[그림 1] 새로운 2차원 반강자성체의 설계 및 합성

2차원 자석은 차세대 소자 후보인 스핀정보소자²⁾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 물질³⁾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 Fe_4-xCo_xGeTe₂)가 4가지 자성상태를 가질 수 있음을 발견했다. Fe_4-xCo_xGeTe₂는 코발트 원자 농도에 따라 다른 자성상태를 갖는다. 이때 자성의 정렬에 따라 강자성과 반강자성⁴⁾, 방향에 따라 수직 이방성과 수평 이방성⁵⁾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.

[그림 2] 2차원 자석의 도핑 후 사진가장 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.

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)’지에 5월 14일 온라인 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
최지원

1) 2차원 물질: 두께가 거의 없는 2차원 물질은 유연하고 투명하면서도 기존 3차원 물질과 전혀 다른 물리적 성질을 보인다. 차세대 전자 소자의 후보로 연구되고 있다.

2) 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.

3) 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.

4) 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.

5) 이방성: 물질의 물리적 성질이 방향에 의존함