차세대 스핀 소자 개발 앞당긴다···2차원 자석 제작

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 차세대 소자로 주목받는 스핀정보소자에 활용할 수 있는 기술을 개발했다. 스핀소자는 현재 소자보다 전력소모가 적고, 반응속도가 빠르면서 정보의 저장·처리를 동시에 할 수 있다. 이러한 소자에 활용하기 위해 전기가 통하는 2차원 자석이 제작됐다.

기초과학연구원은 김준성 원자제어 저차원 전자계 연구단 연구위원 팀이 상온에서 자성을 띠는 물질을 설계·합성하고, 이를 수 나노미터 두께의 얇은 층으로 떼어내 2차원 자석을 만들었다고 19일 밝혔다.

양자계산 기반 물질 설계와 신물질 합성 모식도.<자료=기초과학연구원>

연구진은 스핀정보소자에 유리한 2차원 자석을 설계하기 위해 연구를 기획했다. 2차원 물질은 스핀 정보의 생성·전달·조절을 할 수 있는 핵심 소재이다. 이 중 스핀 정보 ‘생성’에 필요한 강자성을 띠는 2차원 물질이 드물고, 대부분 전기가 흐르지 않거나 극저온에서만 자성이 발현됐다.

연구진은 한 층씩 떼어낼 수 있는 반데르발스 물질 중 철 원자가 포함된 물질에 주목했다. 철 원자 때문에 자성을 띠면서 전기가 통할 수 있기 때문이다. 여기에 층간 결합을 약하게 만드는 텔루륨 원자를 넣어 원자 한 층을 분리하기 쉽게 했다.

연구진은 전자구조 계산으로 1만 1000개의 철 기반 후보물질의 안정성과 자성을 예측했다. 그중 2차원으로 분리할 수 있는 반데르발스 물질 후보를 3개 찾아냈고, 소재 합성으로 예측한 물질 중 철·저마늄·다이텔루라이드(Fe4GeTe2)를 합성했다.

합성한 물질의 특성을 측정한 결과, 이 물질이 강자성을 나타내는 온도는 0도에서 10도로 기존 2차원 자석이 영하 50도에서 영하 200도 부근에서 자성을 띠는 데 비해 높았다.

수 나노미터 두께 층으로 떼어냈을 때도 강자성을 그대로 유지했다. 스핀 상태가 열에 쉽게 변하지 않아 스핀 정보 보존에 유리하고, 다른 2차원 물질과 쉽게 결합할 수 있다는 장점도 갖췄다.

김준성 연구위원은 “물질 설계와 합성, 소자 제작, 측정 분야 연구진들과의 협업으로 성과가 나왔다”며 “앞으로 자성이 더 강한 2차원 물질을 발견할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 지난 18일 새벽 4시(한국시간)에 온라인으로 게재됐다.