기존 반도체 한계 초월하는 차세대 반도체 소자 구현 가능성 높였다

[기계신문] 층상구조를 가진 자성체에 대한 연구는 물질의 기초 자성 특성 측정 등 기초단계에 머물러 있다. 제한적으로 이차원 자성체를 이용한 스핀 소자가 구현되었으나, 대부분 100K 이하의 저온에서 동작하거나, 보자력(Coercivity) 등이 소자 응용에 적합하지 않아 스핀트로닉스 응용에 한계를 보이고 있었다.

최근 한국과학기술연구원(KIST) 스핀융합연구단 장차운, 최준우, 류혜진 박사팀과 기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단 박세영 박사팀은 공동 연구를 통해 최근 차세대 반도체인 ‘스핀트로닉스’ 소재로 주목받고 있는 반데르발스 자성체(Fe₃GeTe₂, FGT)의 자성 특성을 제어하는 데 성공했다.

반데르발스(van der Waals) 물질이란 층간 결합이 반데르발스 결합, 즉 약한 층간 결합으로 이루어진 층상구조 물질로, 2차원 물질인 그래핀을 포함하여 이황화몰리브덴 등 다양한 물질이 있다.

또한 다른 2차원 물질과의 조합을 통해 기존에 없던 새로운 소재로 바뀔 수 있어 그간 초전도성, 반도체성, 금속성, 절연성 등의 다양한 성질의 2차원 물질이 연구되어 왔다.

특히 2017년 새로운 2차원 반데르발스 자성체들이 발견되며 전 세계적으로 연구에 속도가 붙기 시작했다. 하지만 이러한 반데르발스 자성체는 퀴리온도, 보자력 등의 자성 특성이 소자 응용에 적합하지 않아 스핀트로닉스 소재로서 한계에 봉착하고 있었다.

공동 연구팀은 최근 발견되어 많은 연구들이 진행되고 있는 층상구조를 가진 반데르발스 자성체인 ‘FGT’의 특성을 효율적으로 제어할 수 있는 방법과 원리를 찾아냈다.

연구팀은 실험적으로 전자의 개수를 조절하며 자성체를 관찰한 결과, 반데르발스 자성체(FGT)의 특성 변화가 생기는 것을 확인했다. 연구팀은 그 원인이 제어한 전자의 개수로 자성체 내부에서 자화 방향에 따라 에너지가 바뀌는 현상 때문이라는 사실을 밝혔다.

이번 연구 결과을 통해 반데르발스 자성체(FGT)의 자성 특성 변화 원인을 규명함으로써, 향후 다양한 2차원 자성체의 자성 특성을 효과적으로 제어할 수 있는 가능성이 제시되었다.

또, 연구팀에 따르면 원자 한 층 두께에 자성을 구현할 수 있는 반데르발스 물질의 특성 제어 가능성이 높아진다면, 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전자를 이동시키는 스핀트로닉스 소자의 개발도 한층 빨라지게 될 것으로 전망된다.

KIST 류혜진 박사는 “반데르발스 자성체 특성을 밝혀 스핀트로닉스 소자로 응용해 보고자 연구를 시작하게 됐다”면서 “향후 반데르발스 자성물질과 다른 반데르발스 물질들의 이종 접합구조를 이용해, 보다 다양한 특성의 반도체 신소재 개발이 가능해질 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.

이번 연구에서는 물질의 특성을 규정짓는 가장 근본적인 요소인 물질의 전자구조를 분석하여 자성 특성을 효과적으로 제어할 수 있는 방안을 제시함으로써, 스핀트로닉스 소자로 응용 가능한 자성 특성이 있는 신소재 공급이 가능하게 되어, 반데르발스 물질의 소자 응용을 활성화할 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 아래 KIST 주요사업 및 창의형 융합연구사업, 해외협력기반조성-국가간협력기반조성사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 나노과학 분야 국제저널인 ‘Nano Letters’에 게재되었다.

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