상온 강자성반도체 구현해 반세기 난제 해결
상온 강자성반도체 구현해 반세기 난제 해결
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.30 15:15
  • 조회수 727
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요약

 

나노구조물리연구단 이영희 단장 연구팀이 상온 강자성반도체를 구현해 반세기 과학 난제를 해결했습니다. 반세기동안 과학 난제로 알려진 상온 강자성반도체가 단분자층 수준의 얇은 물질 내에서 존재할 수 있음을 밝힌 건데요. 바나듐(V)이 도핑된 단분자층 이차원 이셀레늄화텅스텐을 합성해 상온에서 강자성을 띠는 걸 확인했습니다.

묽은 자성반도체는 모태 반도체에 자성불순물을 주입한 물질 군으로 전하와 스핀을 동시에 제어할 수 있습니다. 때문에 초고속, 초저전력 및 초고집적도가 가능한 스핀트로닉스의 핵심 소재로 기대를 받아왔습니다. 하지만 반세기 동안의 연구에도 불구하고 상온 이하의 낮은 큐리온도(스핀이 강자성 정렬을 띄는 최소온도) 및 물질 내의 조성 불균일 때문에 자성반도체를 활용한 스핀트로닉스의 상용화가 어려워 해결해야 할 과학 난제로 남아있었습니다. 

 

성균관대학교 미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단(윤석준, Duong Dinh Loc 연구원, 연구단장 이영희)은 이런 문제를 해결하기 위해 화학기상증착법을 이용해 바나듐(V)이 도핑된 단분자층 이차원 이셀레늄화텅스텐(이하 V-doped WSe2)을 합성하고 상온 이상의 큐리온도를 띠는 점을 확인했다고 밝혔습니다. 

액상 전구체를 활용한 단분자층 V-doped WSe2의 화학기상증착법 도식도. 출처: 성균관대학교
액상 전구체를 활용한 단분자층 V-doped WSe2의 화학기상증착법 도식도. 출처: 성균관대학교

연구팀은 초민감 자기력현미경을 활용하여 단분자층 V-doped WSe2의 자기구역(magnetic domain)을 관측했습니다. 온도 및 자화 방향에 따른 자기구역의 변화를 분석해 상온 이상의 큐리온도를 가지는 걸 확인했습니다. 또한 투과전자현미경을 이용한 원자구조 분석을 통해 바나듐이 이셀레늄화텅스텐에 고르게 분포하는 것을 확인해 기존의 문제였던 원소조성 불균일 문제도 해결했습니다. 또 전자밀도를 바꾸어 강자성모멘트를 제어할 수 있음을 보여줬습니다. 연구팀이 개발한 상온 묽은 강자성반도체는 웨이퍼크기의 합성이 가능하여 빠른 시일 내에 상용화가 가능할 것으로 예측됩니다. 

온도 및 자성 탐침의 자화 방향에 따른 단분자층 V-doped WSe2의 자기력 현미경 그림들. 출처: 성균관대학교
온도 및 자성 탐침의 자화 방향에 따른 단분자층 V-doped WSe2의 자기력 현미경 그림들. 출처: 성균관대학교

 

이영희 교수. 출처: 성균관대학교
이영희 교수. 출처: 성균관대학교

 

 

이번 연구를 이끈 이영희 단장은 "과거 반세기동안 과학 난제로 알려진 상온 강자성반도체가 단분자층 수준의 얇은 물질 내에서 존재할 수 있음을 보여줬다"며 "스핀전자소자 및 양자컴퓨터 응용에 획기적 전환점을 가져올 것으로 기대한다"고 밝혔습니다. 해당 연구는 <Advanced Science>에 게재됐습니다. 


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