국내연구진, 전기 통하는 2차원 자석 개발

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 전기가 통하도록 설계·합성한 2차원 자석을 개발했다.

기초과학연구원(IBS·원장 노도영)은 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅) 김준성 연구위원(포항공대 물리학과 부교수)과 포항공대 화학과 심지훈 교수, 신소재공학과 최시영 교수 등이 상온에서 자성을 띠는 철-저마늄-다이텔루라이드(Fe4GeTe2)를 설계·합성하고, 이를 수 나노미터 두께의 얇은 층으로 떼어내 2차원 자석을 만드는데 성공했다고 19일 밝혔다.

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

연구진은 스핀정보소자에 유리한 2차원 자석을 설계하기 위해 한 층씩 떼어낼 수 있는 반데르발스 물질 중 철(Fe)원자가 포함된 물질에 주목했다.

철 원자 때문에 자성을 띠면서 전기가 통할 수 있기 때문이다.

여기에 층간 결합을 약하게 만드는 텔루륨(Te) 원자를 넣어 원자 한 층을 분리하기 쉽게 했다.

연구진은 전자구조 계산을 통해 1만1000개에 달하는 다양한 철 기반 후보물질의 안정성과 자성을 예측했다.

그 중 2차원으로 분리할 수 있는 반데르발스 물질 후보를 3개 찾아냈고, 체계적인 소재 합성을 통해 예측한 물질 중 Fe4GeTe2를 합성하는 데 성공했다.

개발한 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 유지됐다.

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.

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

공동 제1저자인 김덕영 연구원(중국고압연구센터 선임연구원)은 “계산이 어려운 자성 물질 설계 및 합성에 성공했다”며 “특히 세 가지 원소로 이뤄진 삼원계 화합물 설계가 성공한 사례는 전 세계적으로 드문 경우”라고 했다.

기초과학연구원과 한국연구재단 선도연구센터 사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 온라인 판에 18일 오전 4시(한국시간) 게재됐다.

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