전기가 통하도록 설계·합성한 2차원¹⁾ 자석이 나왔다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅) 김준성 연구위원(POSTECH 물리학과 부교수)과 포항공과대학교 화학과 심지훈 교수, 신소재공학과 최시영 교수를 비롯한 국내 공동 연구진은 상온에서 자성을 띠는 철-저마늄-다이텔루라이드(Fe₄GeTe₂)를 설계·합성하고, 이를 수 나노미터 두께의 얇은 층으로 떼어내 2차원 자석을 만들었다. 2차원 자성체를 설계한 최초의 사례인데다, 전기전도성까지 부여하는 데 성공해 향후 차세대 스핀 소자²⁾에 활용이 기대된다.

신물질 합성은 대부분 우연의 산물이다. 무수히 많은 화학 조성을 시도한 끝에 새로운 물질을 합성하지만, 이를 시험하기 전에는 특성을 알 수 없어 특정 기능을 갖도록 계획하기란 사실상 불가능하다. 결과물이 기존 물질보다 뛰어나리란 법도 없다. 최근 수 년 간 고체물질 계산 분야가 비약적으로 발전하면서 신물질이 될 수 있는 구조나 그 특징을 미리 계산할 수 있게 됐지만, 이렇게 설계한 물질을 합성까지 성공하는 경우는 드물었다.

연구진은 스핀정보소자에 유리한 2차원 자석을 설계하기 위해 연구를 기획했다. 2차원 물질은 스핀 정보의 생성·전달·조절을 할 수 있는 핵심 소재로 꼽히는데, 이 중 스핀 정보‘생성’에 필요한 강자성³⁾을 띠는 2차원 물질은 매우 드문데다, 대부분 전기가 흐르지 않거나 극저온에서만 자성이 발현돼 응용성이 적었다.

연구진은 한 층씩 떼어낼 수 있는 반데르발스⁴⁾ 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 계산⁵⁾을 통해 11,000개에 이르는 다양한 철 기반 후보물질의 안정성과 자성을 예측했다. 그중에서 2차원으로 분리할 수 있는 반데르발스 물질 후보를 3개 찾아냈고, 체계적인 소재 합성을 통해 예측한 물질 중 Fe₄GeTe₂를 합성하는 데 성공하였다.

개발된 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 유지되었고, 스핀 상태가 열에 쉽게 변하지 않아 스핀 정보 보존에 유리하다. 또한 다른 2차원 물질과 쉽게 결합할 수 있다는 장점도 있어 향후 서로 다른 2차원 물질을 접합해 만들어질 스핀정보소자 연구에 활용이 기대된다.

공동 제1저자인 김덕영 연구원(중국고압연구센터 선임연구원)은 “계산이 어려운 자성 물질 설계 및 합성에 성공했으며, 특히 세 가지 원소로 이뤄진 삼원계 화합물 설계가 성공한 사례는 전 세계적으로 드문 경우”라며 이번 성과의 의의를 밝혔다. 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.

이번 연구는 기초과학연구원과 한국연구재단 선도연구센터 사업의 지원을 받았으며, 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 12.804)’지에 1월 18일 새벽 4시(한국시간) 온라인 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] 양자계산 기반 물질 설계 및 신물질 합성 모식도(왼쪽) 2차원 자석 설계를 위해서는 반데르발스 구조와 강자성을 동시에 고려할 필요가 있다. (가운데) 철, 텔루륨, 게르마늄의 상대적인 비율에 따른 물질 분포도. 녹색 선은 게르마늄 대 텔루륨 비율이 1:2가 되는 조건인데, 선 위의 숫자 3,4,5는 해당 지점에서의 철 원자 비율을 나타낸다. 이 중 사각형“3”(Fe₃GeTe₂)은 이미 구조가 알려져 있었고 자성을 띠는 온도가 극저온이다. 연구진이 “4”, “5”, 그 다음 “6” 의 구조를 새롭게 예측했다. 합성에 성공한 것은 도형“4”(Fe₄GeTe₂)다. (오른쪽) 예측한 Fe₄GeTe₂의 구조와 실제 합성된 물질 사진.