상온 근처에서 자성을 띠는 2차원 자석 발명
상온 근처에서 자성을 띠는 2차원 자석 발명
  • 문병도 기자
  • 승인 2020.01.19 12:00
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김준성 IBS 연구위원 연구팀
(왼쪽) 2차원 자석 설계를 위해서는 반데르발스 구조와 강자성을 동시에 고려할 필요가 있다. (가운데) 철, 텔루륨, 게르마늄의 상대적인 비율에 따른 물질 분포도. 녹색 선은 게르마늄 대 텔루륨 비율이 1:2가 되는 조건인데, 선 위의 숫자 3,4,5는 해당 지점에서의 철 원자 비율을 나타낸다. 이 중 사각형“3”(Fe3GeTe2)은 이미 구조가 알려져 있었고 자성을 띠는 온도가 극저온이다. 연구진이 “4”, “5”, 그 다음 “6” 의 구조를 새롭게 예측했다. 합성에 성공한 것은 도형“4”(Fe4GeTe2)다. (오른쪽) 예측한 Fe4GeTe2의 구조와 실제 합성된 물질 사진.
2차원 자석 설계를 위해서는 반데르발스 구조와 강자성을 동시에 고려할 필요가 있다. 합성에 성공한 것은 Fe4GeTe2이다. (그림제공=IBS)

[뉴스웍스=문병도 기자] 전기가 통하도록 설계·합성한 2차원 자석이 나왔다.

김준성 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 연구위원(포항공대 물리학과 부교수)과 심지훈 포항공대 화학과 교수, 최시영 신소재공학과 교수를 비롯한 국내 공동 연구진은 상온에서 자성을 띠는 철-저마늄-다이텔루라이드(Fe4GeTe2)를 설계·합성하고, 이를 수 나노미터 두께의 얇은 층으로 떼어내 2차원 자석을 만들었다.

2차원 자성체를 설계한 최초의 사례인데다, 전기전도성까지 부여하는 데 성공해 향후 차세대 스핀 소자에 활용이 기대된다.

연구진은 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 강자성을 띠는 2차원 물질은 매우 드문데다, 대부분 전기가 흐르지 않거나 극저온에서만 자성이 발현돼 응용성이 적었다.

연구진은 한 층씩 떼어낼 수 있는 반데르발스) 물질 중 철(Fe)원자가 포함된 물질에 주목했다.

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

연구진은 전자구조 계산을 통해 1만1000개에 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.

개발된 Fe4GeTe2의 특성을 측정한 결과 이 물질이 강자성을 나타내는 온도는 0~10℃로, 기존 2차원 자석이 –200~-50℃ 부근에서 자성을 띠는 데 비해 매우 높았다.

수 나노미터 두께 층으로 떼어냈을 때도 강자성이 그대로 유지되었고, 스핀 상태가 열에 쉽게 변하지 않아 스핀 정보 보존에 유리하다. 다른 2차원 물질과 쉽게 결합할 수 있다는 장점도 있어 향후 서로 다른 2차원 물질을 접합해 만들어질 스핀정보소자 연구에 활용이 기대된다.

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

기초과학연구원과 한국연구재단 선도연구센터 사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’지에 지난 18일 온라인 게재됐다.

김준성(왼쪽부터) 연구위원, 심지훈 부교수, 최시영 부교수, 김덕영선임연구원 (사진제공=IBS)
김준성(왼쪽부터) 연구위원, 심지훈 부교수, 최시영 부교수, 김덕영선임연구원 (사진제공=IBS)

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