[김준성 교수 연구실] 손쉽게 자성상태 조절하는 2차원 자석 합성

Caption: (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.  

[김준성 교수 연구실] 손쉽게 자성상태 조절하는 2차원 자석 합성

2차원 자석은 차세대 정보소자 후보인 스핀정보소자 구현에 필요한 핵심 소재 중 하나다. 전자 소자가 0과 1 정보를 담은 수많은 트랜지스터로 이루어지듯, 스핀 정보소자에서 스핀 ¡è과 ¡é정보의 입·출력을 위해서는 다양한 자성상태를 갖는 자석을 서로 접합시켜야 한다. 따라서 2차원 자석에서 자성상태를 조절하는 것은 매우 중요한 과제였다. 그러나 2차원 자석 후보 물질이 드물고, 매우 낮은 온도에서만 자성이 나타나 적합한 소재를 확보하기 어려웠다. 

물리학과 김준성 교수 연구팀은 화학과 심지훈 교수 연구팀, 신소재공학과 최시영 교수 연구팀을 비롯한 국내 국내 공동 연구진과의 공동연구를 통해, 4가지 서로 다른 자성 상태를 조절할 수 있는 2차원 자석을 합성해냈다. 연구팀은 지난 해 고온에서도 자성이 유지되고 전기가 통하는 2차원 층상 물질인 철-저마늄-다이텔루라이드(이하 Fe4GeTe2)의 설계 및 합성에 성공한 바 있다. 나아가 연구팀은 층 사이 자성결합 세기에 따라 Fe4GeTe2의 자성상태가 민감하게 변하는 데 착안하여, 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 강자성과 반강자성, 방향에 따라 수직 이방성과 수평 이방성이 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 조성과 두께를 이용해 자유자재로 조절할 수 있는 최초의 2차원 자석을 합성한 성과로, 향후 서로 다른 자성상태의 층을 결합하면 스핀정보 처리에 유용한 특성을 유도할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구성과는 저명 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.121)’지에 5월 14일(한국시간) 온라인 게재됐다.