4단계로 자력 조절 가능한 2차원 자석 발견

기초과학연구원 김준성 연구위원 등 국내 공동연구진, '스핀 정보소자' 개발에 활용 가능

[아시아경제 김봉수 기자] 자성 상태 조절이 가능한 새로운 2차원 자성 물질이 발견됐다.

기초과학연구원은 원자 제어 저차원 전자계 연구단 김준성 연구위원 등 국내 공동 연구진이 4가지 서로 다른 자성 상태를 조절할 수 있는 2차원 자석을 합성해냈다고 17일 밝혔다. 하나의 소재에서 다양한 스핀 정렬 상태를 유도하는 것이 가능해져 향후 차세대 스핀 소자에 대한 다양한 연구를 가능케 할 것으로 기대된다.

2차원 자석은 차세대 소자 후보인 스핀정보소자 구현에 필요한 핵심 소재 중 하나다. 그러나 2차원 자석 후보 물질이 드물고, 매우 낮은 온도에서만 자성이 나타나 적합한 소재를 확보하기 어려웠다. 연구진은 지난 해 고온에서도 자성이 유지되고 전기가 통하는 2차원 층상 물질인 철-저마늄-다이텔루라이드(Fe4GeTe2)의 설계 및 합성에 성공한 바 있다.

전자 소자가 0과 1 정보를 담은 수많은 트랜지스터로 이루어지듯, 스핀 정보 입·출력을 위해서는 다양한 자성상태를 갖는 자석을 서로 접합시켜야 한다. 따라서 2차원 자석에서 자성상태를 조절하는 것이 중요한 과제였다.

연구진은 층 사이 자성결합 세기에 따라 Fe4GeTe2의 자성상태가 민감하게 변하는 데 착안했다. 이에 층간 결합 세기를 조절하기 위해 Fe4GeTe2의 일부 철 원자를 다른 원자로 치환하는 실험을 계획했다. 철 원자와 비슷한 망간, 코발트, 갈륨, 루테늄 원자를 후보로 하여, 각 원자로 치환했을 때 자성상태를 계산하고 실제 합성과 측정 실험을 수행했다.

그 결과 철을 코발트로 치환한 철-코발트-저마늄-다이텔루라이드(Fe4-xCoxGeTe2)가 4가지 자성상태를 가질 수 있음을 발견했다. Fe4-xCoxGeTe2는 코발트 원자 농도에 따라 다른 자성상태를 갖는다. 이때 자성의 정렬에 따라 강자성과 반강자성, 방향에 따라 수직 이방성과 수평 이방성이 조합되는 4가지 자성상태를 가질 수 있었다.

이번에 발견한 물질은 코발트 농도 뿐 아니라 박막의 층수를 조절해 자성 상태를 조절할 수 있다. 4가지 자성상태는 특정 온도 영역에서 나타나는데, 층수에 따라 그 영역이 달라진다. 따라서 층수를 변경하면 같은 온도라도 다른 자성 상태를 갖게 된다. 이는 자성상태를 자유자재로 조절할 수 있는 최초의 2차원 자석을 합성한 성과로, 향후 서로 다른 자성상태의 층을 결합하면 스핀정보 처리에 유용한 특성을 유도할 수 있을 것으로 기대된다.

김준성 연구위원은 “화학적인 조성과 물리적인 두께를 바꿔서 2차원 자석 후보 물질의 자성상태를 조절할 수 있음을 계산과 실험으로 보였다”며 “2차원 자석을 이용한 스핀소자에 여러 기능을 구현할 수 있는 중요한 발판이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.121)’지에 지난 14일 온라인으로 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr