국내연구진이 반데르발스 힘^*을 갖는 물질을 이용해 2차원 자성원자층 추출에 성공했다.
자성원자층은 초고속, 초저전력 및 초고집적도의 특성을 갖는 차세대 반도체인 자성반도체의 핵심 소재로 기대를 모으고 있다.
기존 주류 실리콘 반도체가 트랜지스터 집적기술의 한계와 다수 전자 흐름에 따른 발열 문제로 고집적화에 제동이 걸림에 따라, 이를 대체할 새로운 반도체 기술과 이를 구현할 신소재에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

* 분자가 이온결합이나 공유결합이 아닌, 분자 내 혹은 분자간 전자의 스핀편극으로 인해 갖는 인력이나 척력

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 강상관계 물질 연구단(단장 노태원, 서울대 물리천문학부 교수)은 삼황화린니켈(NiPS₃)을 합성하고 이를 박리하여 반데르발스 물질 기반 2차원 벌집구조의 자성원자층을 세계 최초로 구현해 냈다.
연구진은 삼황화린니켈이 155K(영하 118℃) 이하에서 반강자성 정렬^*을 하는 물질로, 단일층으로 구현하게 되면 자성을 갖는 것을 확인하였다.
이번 성과로 2차원 자성물질에 대한 새로운 기초 연구가 가능해졌고, 향후 획기적인 스핀전자소자^** 개발을 위한 신소재 확보를 기대할 수 있게 됐다.

* 반강자성 정렬은 전자의 스핀이 인접한 스핀과 균일하게 정반대로 정렬한 것으로, 그 결과 스핀이 상쇄되어 자성이 없어지게 된다. 일반적으로 반강자성 물질은 특정 온도 이하에서 반자성을 띠며 특정온도 이상에서는 스핀의 무질서로 자성을 갖지 않는다.
** 스핀(Spin)은 양자역학적 개념으로 전자가 갖는 자기적 특성을 의미한다. 업과 다운 두가지 방향으로 구분된다. 이를 활용하면 기존과 다른 새로운 패러다임의 전자소자를 만들 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

연구진은 2차원 자성원자층을 삼황화린니켈 덩어리에서 기계적으로 박리해 구현한 것이 이번 연구의 핵심이라고 밝혔다.
지금까지 대부분의 자성원자층은 고가의 장치를 이용한 산화물박막 제작을 통해 얻어졌으며, 이를 통해 구현한 산화물 기반 자성원자층은 원자 치환 등의 기술적 응용이 힘들어 상용화가 어려웠다.
이번 연구에서 얻어진 삼황화린니켈 자성원자층은 자성원소인 니켈(Ni)을 다른 강자성 원소인 철(Fe), 코발트(Co) 등 다양한 물질로 치환할 수 있어, 다양한 기술적 응용이 가능할 전망이다.
향후 니켈 대신 상온에서도 자성을 갖는 물질로 치환할 수 있다면 자성반도체 상용화가 가능해질 것이다.

이번 연구를 주도한 박제근 부단장(서울대학교 물리천문학부 교수)은 “반데르발스 물질의 자성원자층 구현에 최초로 성공해, 2차원 원자층의 자성현상 연구에 새로운 돌파구를 찾았다”며 “반데르발스 물질이 갖는 우수한 집적호환 특성을 살려, 그래핀 등과의 스핀전자소자 응용 가능성에 획기적 전환점을 가져올 것으로 기대한다”고 밝혔다.

연구팀의 이번 연구결과는 네이처의 자매지인 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports, IF 5.578) 온라인 판에 2월 15일 게재됐다.

▲ 원자구조 및 박리된 삼황화린니켈(NiPS₃)의 광학적 특성

▲ 박리된 삼황화린니켈(NiPS₃)의 원자간력 현미경(AFM)사진

▲ 박리된 NiPS₃의 라만 스펙트럼