전기가 통하도록 설계·합성한 2차원 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 소자에 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 강자성을 띠는 2차원 물질은 매우 드문데다, 대부분 전기가 흐르지 않거나 극저온에서만 자성이 발현돼 응용성이 적었다. 연구진은 한 층씩 떼어낼 수 있는 반데르발스 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 계산을 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.
반데르발스 물질 중 철 원자가 포함된 물질에 주목한 이유는?
철 원자 때문에 자성을 띠면서 전기가 통할 수 있기 때문