본문 바로가기주요메뉴 바로가기

주메뉴

IBS Conferences

응용성 대폭 증가한 2차원 자석 나왔다

상온서 자성 띠고 전기 통하는 2차원 물질 합성… 차세대 스핀 소자 앞당겨

전기가 통하도록 설계·합성한 2차원 자석이 나왔다. 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 김준성 연구위원과 국내 공동 연구진은 상온에서 자성을 띠는 철-저마늄-다이텔루라이드(Fe4GeTe2)를 설계·합성하고, 이를 얇은 층으로 떼어내 2차원 자석을 만들었다. 2차원 자성체를 설계한 최초의 사례인데다, 전기전도성까지 부여하는 데 성공해 향후 차세대 스핀 소자1에 활용이 기대된다.

신물질 합성은 대부분 우연의 산물이다. 무수히 많은 화학 조성을 시도한 끝에 새로운 물질을 합성하지만, 결과물을 시험하기 전에는 특성을 알 수 없고 결과물이 기존 물질보다 뛰어나란 법도 없다. 최근 수 년 간 전자구조 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 꼽힌다. 이 중 스핀 정보‘생성’에 필요한 강자성을 띠는 2차원 물질은 매우 드문데다, 대부분 전기가 흐르지 않거나 극저온에서만 자성이 발현돼 응용성이 적었다.

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

▲ 철, 텔루륨, 게르마늄의 상대적 비율에 따른 후보물질 분포. 사각형은 반데르발스 결합을 갖는 층상물질, 원은 그 외의 물질을 나타낸다. 4번 사각형이 합성에 성공한 Fe4GeTe2다.
▲ 철, 텔루륨, 게르마늄의 상대적 비율에 따른 후보물질 분포. 사각형은 반데르발스 결합을 갖는 층상물질, 원은 그 외의 물질을 나타낸다. 4번 사각형이 합성에 성공한 Fe4GeTe2다.

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.

▲ Fe4GeTe2 결정의 사진
▲ Fe4GeTe2 결정의 사진

김덕영 중국고압연구센터 선임연구원은 “계산이 어려운 자성 물질, 특히 세 가지 원소로 이뤄진 삼원계 화합물 설계가 성공한 사례는 전 세계적으로 드문 경우”라며 이번 성과의 의의를 밝혔다. 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 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’지에 1월 18일 온라인 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
최지원

1 스핀정보소자(spintronics) : 스핀(전자가 가지고 있는 고유한 각운동량)을 정보 저장과 처리의 기본단위로 사용하는 소자. 전자가 가진 전하 정보를 사용하는 현재 소자(electronics)보다 전력소모가 적고 반응속도도 더 빠르며, 정보의 저장과 처리를 동시에 할 수 있어 차세대 소자로 주목받고 있다.

  • [세계일보] ‘10억분의 1m 두께’ 2차원 자석 개발
  • [뉴스웍스] 상온 근처에서 자성을 띠는 2차원 자석 발명
  • [news1] 국내연구진, 전기 통하는 2차원 자석 개발
  • [이데일리] 차세대 스핀 소자 개발 앞당긴다···2차원 자석 제작
  • [아이뉴스24] 2차원 자성체 비밀 한꺼풀씩…스핀 반도체 시대 앞당긴다
  • [아시아뉴스통신] IBS, 차세대 정보 저장·처리 소자 활용 ‘2차원 자성체’ 설계
  • [아시아경제] 스핀 반도체 빛보나.. '2차원 자석' 개발
  • [연합뉴스] 10억분의 1m 두께 2차원 자석 나왔다…차세대 전자소자에 활용
  • [전자신문] IBS·포항공대 공동연구팀, 나노미터 두께 2차원 자석 개발..차세대 전자소자 활용 기대
  • [한국경제] 반도체 세상 만들었던 '전자공학' 대체하는 '스핀트로닉스'가 온다
  • [더리포트] 응용성 대폭 늘린 2차원 자석 개발...차세대 스핀 소자 활용 기대
  • [금강일보] 기초과학연구원, 응용성 대폭 증가한 2차원 자석 만들어
  • 만족도조사

    이 페이지에서 제공하는 정보에 대하여 만족하십니까?

    콘텐츠담당자
    커뮤니케이션팀 : 최지원   042-878-8088
    최종수정일 2019-12-17 14:32