종이보다 수만 분의 1 얇은 평면자석 세계 첫 합성

2020.01.19 12:02
국내 연구팀이
기초과학연구원(IBS)과 포스텍 등 국내 연구팀이 전기가 통하는 2차원 자석 '철-저마늄-다이텔루라이드(Fe4GeTe2)'를 개발했다. 2차원 자석은 두께가 거의 없어 유연하고 투명하고, 3차원 자석과 전혀 다른 물리적 성질이 나타나 차세대 전자소자로 활용될 전망이다. IBS 제공

국내 연구팀이 전기가 통하는 평면 형태(2차원)의 자석을 개발했다. 이 자석은 매우 두께가 얇고  유연하고 투명해 흔히 사용하는 3차원 자석과 전혀 물리적 성질이 달라 차세대 전자소자로 활용될 것으로 기대를 모은다.


기초과학연구원(IBS) 원자제어저차원전자계연구단은 포스텍과 중국 베이징고압연구센터 연구진과 공동으로 상온에서 자성을 띠는 철-게르마늄-다이텔루라이드(Fe4GeTe2)를 합성하고 수 나노미터(nm) 두께의 얇은 층으로 떼어내는 방식으로 2차원 자석을 만드는 데 성공했다고 19일 밝혔다. 2차원 자석을 설계 합성한 것은 이번이 처음이다. 


2차원 자석은 전자의 스핀을 통해 전하를 제어하는 방법으로 정보를 저장하거나 처리하는 장치인 ‘스핀트로닉스 소자’에 활용할 핵심 소재로 꼽힌다. 김준성 원자제어저차원전자계연구단 연구위원(포스텍 물리학과 교수)와 심지훈 포스텍 화학과 교수, 최시영 포스텍 신소재공학과 교수 공동 연구팀은 기존 2차원 자성물질은 극히 드문 데다, 대부분 전기가 흐르지 않거나 극저온(영하 200~영하 50도)에서만 자성이 발현돼 활용도가 적다는 것에 주목했다. 


연구팀은 분자간 정전기적인 상호작용을 하는 반데르발스 물질에서 해답을 찾았다. 반데르발스 결합은 이온결합이나 공유결합보다 비교적 약해, 단일 원자층으로 이뤄진 2차원 물질을 얻기 쉽다. 연구팀은 자성을 띠면서 전기가 통할 수 있는 철(Fe) 원자가 포함된 물질에, 층간 결합을 약하게 만드는 텔루륨(Te) 원자를 더했다. 1만1000개나 되는 경우의 수를 계산한 결과 이 중 2차원으로 분리할 수 있는 후보 물질 3개를 찾아내, 실제로 Fe4GeTe2를 합성하는 데 성공했다.


Fe4GeTe2는 0~10도에서 강자성을 나타낸다. 수 나노미터 두께로 떼어냈을 때도 강자성이 그대로 유지됐으며, 다른 2차원 물질과도 쉽게 결합할 수 있어 향후 서로 다른 2차원 물질을 결합해 스핀정보소자를 개발하는 데 활용할 수 있을 전망이다. 또 스핀 상태가 열에 쉽게 변하지 않아 스핀 정보를 보존하는 데 유리하다는 것도 장점이다. 


공동 제1저자인 김덕영 베이징고압연구센터 선임연구원은 “자성물질을 계산으로 설계해 합성하는 것은 무척 어려우며, 특히 이번처럼 세 가지 원소로 화합물을 설계하는 데 성공한 것은 세계적으로 드물다”고 말했다. 공동 교신저자인 김준성 연구위원은 “이번 연구 성과를 바탕으로 자성이 더 강한 2차원 물질을 발견할 수 있을 것”이라고 말했다.


연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스어드밴시스’ 온라인판 18일자에 발표됐다. 

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