응용성 대폭 증가한 2차원 자석
응용성 대폭 증가한 2차원 자석
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.29 23:55
  • 조회수 39956
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요약

 

전기가 통하도록 설계하고 합성한 2차원 자석이 나왔습니다. 상온에서 자성을 띠는 철-저마늄-다이텔루라이드(Fe4GeTe2)를 설계·합성하고, 이를 수 나노미터 두께의 얇은 층으로 떼어내 2차원 자석을 만들었습니다. 차세대 스핀소자에 활용될 전망입니다.

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

상온에서 자성을 띠는 새로운 물질? 출처: AdobeStock
상온에서 자성을 띠는 새로운 물질? 출처: AdobeStock

새로운 물질이 만들어지기까지

 

신물질 합성은 대부분 우연의 산물입니다. 무수히 많은 화학 조성을 시도한 끝에 새로운 물질을 합성하지만 이를 시험하기 전에는 특성을 알 수 없어 특정 기능을 갖도록 계획하기란 사실상 불가능합니다. 결과물이 기존 물질보다 뛰어나리란 법도 없습니다. 최근 수 년 간 고체물질 계산 분야가 비약적으로 발전하면서 신물질이 될 수 있는 구조나 그 특징을 미리 계산할 수 있게 됐지만 이렇게 설계한 물질을 합성까지 성공하는 경우는 드물었습니다.

 

연구진은 스핀정보소자에 유리한 2차원 자석을 설계하기 위해 연구를 기획했습니다. 2차원 물질은 스핀 정보의 생성·전달·조절을 할 수 있는 핵심 소재로 꼽히는데요. 이 중 스핀 정보 '생성'에 필요한 강자성을 띠는 2차원 물질은 매우 드문데다 대부분 전기가 흐르지 않거나 극저온에서만 자성이 발현돼 응용성이 적었습니다.

  • 스핀정보소자(spintronics)

스핀(전자가 가지고 있는 고유한 각운동량)을 정보 저장과 처리의 기본 단위로 사용하는 소자. 전자가 가진 전하 정보를 사용하는 현재 소자(electronics)보다 전력 소모가 적고 반응 속도도 더 빠르며, 정보의 저장과 처리를 동시에 할 수 있어 차세대 소자로 주목받고 있습니다.

  •  강자성

 자석처럼 외부 자기장과 상관없이 자성을 띠는 특성입니다.

연구진은 한 층씩 떼어낼 수 있는 반데르발스 물질 중 철(Fe)원자가 포함된 물질에 주목했습니다. 철 원자 때문에 자성을 띠면서 전기가 통할 수 있기 때문입니다. 여기에 층간 결합을 약하게 만드는 텔루륨(Te) 원자를 넣어 원자 한 층을 분리하기 쉽게 했습니다.

양자계산 기반 물질 설계 및 신물질 합성 모식도. 출처: IBS

연구진은 전자 구조 계산을 통해 11,000개에 이르는 다양한 철 기반 후보물질의 안정성과 자성을 예측했습니다. 그중에서 2차원으로 분리할 수 있는 반데르발스 물질 후보를 3개 찾아냈고, 체계적인 소재 합성을 통해 예측한 물질 중 Fe4GeTe2를 합성하는 데 성공했습니다.

  • 반데르발스 물질

층상 구조를 갖는 물질 중에 층간 결합이 반데르발스 결합으로 이뤄진 물질을 반데르발스 물질이라고 합니다. 반데르발스 결합은 이온결합이나 공유결합과 달리  분자간의 정전기적인 상호작용으로 생기는 것이라 상대적으로 매우 약합니다. 따라서 반데르발스 물질 내의 원자층 간에 형성된 약한 반데르발스 결합을 선택적으로 깨뜨리면 단일 원자층으로 이뤄진 2차원 물질을 얻을 수 있습니다.

개발된 Fe4GeTe2의 특성을 측정한 결과 이 물질이 강자성을 나타내는 온도는 0~10℃로 기존 2차원 자석이 –200~-50℃ 부근에서 자성을 띠는 데 비해 매우 높았습니다. 수 나노미터 두께 층으로 떼어냈을 때도 강자성이 그대로 유지됐고 스핀 상태가 열에 쉽게 변하지 않아 스핀 정보 보존에 유리합니다. 또한 다른 2차원 물질과 쉽게 결합할 수 있다는 장점도 있어 향후 서로 다른 2차원 물질을 접합해 만들어질 스핀정보소자 연구에 활용이 기대됩니다.

김덕영 선임연구원. 출처: IBS
김덕영 선임연구원. 출처: IBS

 

 

 

제1저자인 중국고압연구센터 김덕영 선임연구원은 "계산이 어려운 자성 물질 설계 및 합성에 성공했으며, 특히 세 가지 원소로 이뤄진 삼원계 화합물 설계가 성공한 사례는 전 세계적으로 드문 경우"라며 이번 성과의 의의를 전했습니다.

 

 

 

 

 

김준성 연구위원. 출처: IBS
김준성 연구위원. 출처: IBS

 

 

 

공동 교신저자인 김준성 연구위원은 "물질 설계와 합성, 소자 제작 및 측정을 아우르는 이번 연구는 국내외 다양한 분야 연구진의 협업으로 가능했다. 이번 성과를 바탕으로 자성이 더 강한 2차원 물질을발견할 수 있을 것"이라고 전했습니다. 

 

 

 

한편, 이번 연구는 <Science Advances>에 게재됐습니다.


##참고자료##

 

  • Junho Seo et al., "Nearly room temperature ferromagnetism in a magnetic-metal-rich van der Waals metal", Science Advances(2020)


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