2차원 페록시하이트가 생성되기 위한 2가지 모체구조에 대한 포논계산으로 (a)와 같은 결정구조를 가지면 불안정함 반면, (b)와 같은 구조를 가지면 안정하게 된다는 계산결과다. (c)는 위 2가지 구조를 위에서 본 모양을 나타낸 것이다.
한국연구재단은 부경대학교 홍지상 교수 연구팀이 2차원 물질 자성반도체인 페록시하이트(δ-FeOOH)의 결정 구조와 에너지 밴드 구조를 규명했다고 밝혔다.
최근 실리콘 트랜지스터 반도체가 가진 물리적·재료적 한계로 속도와 집적도 등 성능 향상이 어려워지면서 스핀트로닉스 소자와 같은 차세대 반도체소자 개발을 위한 연구가 활발해지고 있다. 고성능·저전력의 스핀트로닉스 소자 개발을 위해서는 상온에서 강자성 현상을 보이는 물질이 필요한데, 최근 1.2 나노미터(㎚) 두께의 페록시하이트라는 2차원 물질이 상온에서 강자성 현상과 2.2전자볼트(eV) 정도의 광학적 밴드갭을 가진다는 실험 결과가 보고되어 학계의 관심을 끌었다. 하지만 페록시하이트가 이러한 2차원 자성반도체의 성질이 있다는 정도만 밝혀졌을 뿐 이 물질의 결정 구조, 에너지 밴드 구조, 자기적 상태 등과 같은 물리적 특성은 전혀 밝혀지지 않았다.
이에 연구팀은 기존 페록시하이트 연구에서 보고된 모체물질의 후보물질을 찾아낸 뒤 이 물질의 2차원 박막 두께를 변화시키며 나타나는 자기적 특성, 광학적 특성 및 전자구조를 계산했다.
연구팀은 실험 결과를 기존 실험 내용과 비교하는 방식을 통해 페록시하이트의 결정 구조, 에너지 밴드 구조, 자기적 상태 등 세 가지 물리적 성질을 최초로 규명하는 데 성공했다.
홍지상 교수는 “이 연구는 상온에서 자기적 특성을 갖는 2차원 자성반도체, 페록시하이트의 물리적 성질을 처음으로 밝혀낸 것”이라며 “앞으로 이론적으로 제시된 결정구조를 확인하는 추가 연구와 스핀트로닉스 소자 연구 활성화에 기여할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행되었으며, 재료과학 분야 국제학술지 ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces) 9월 20일 자에 게재되었다.
★ 용어설명 ★
* 2차원 물질
-> 원자가 한 층으로 되어 있는 물질로 열전도율과 전기 전도도가 높아 차세대 반도체, 태양전지, 디스플레이 소자로 주목받고 있다.
* 스핀트로닉스 소자
-> 전자가 가진 전하의 성질과 양자역학적 물리양인 스핀을 이용한 차세대 반도체 소자로서 전기가 흐르냐 흐르지 않느냐를 따져 0과 1을 구분하는 기존 반도체와 달리, 전류가 흐를 때 전자의 스핀 상태까지도 이용하는 소자이다.
★ 연구 이야기 ★
Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 2차원 물질에 대한 연구 매우 활발하게 진행되고 있으나, 지금까지 발견된 대부분의 2차원 물질은 비자성 물질이다. 에너지갭을 가지는 반도체 구조에서 자성 현상을 보이는 물질의 발견은 상대적으로 소수였는데, 최근에야 2차원 자성반도체 물질합성에 대한 보고들이 나오고 있다. 최근 스핀트로닉스 소자 응용을 위해 묽은 자성반도체(Dilute ㎃gnetic Semiconductors) 에 대한 연구가 매우 활발하게 진행이 되었으나, 여러 가지 기술적 문제들로 난관에 봉착했다. 이를 해결할 수 있는 대안이 2차원 자성반도체 물질이다. 2014년에 에너지 밴드갭을 가지는 반도체 특성을 보임과 동시에 상온에서 강자성 현상을 나타내는 물질에 대한 실험연구가 보고되었다. 하지만 이 물질에 대한 구체적인 결정구조, 자기적 상태, 에너지 밴드구조 등에 대한 결과는 밝혀지지 않은 상태였고, 이를 제일원리 계산을 이용해 밝히고자 했다.
Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 단순히 광학적 방법에 의한 에너지 밴드갭과 자기모멘트 측정값에 대한 결과만이 보고된 상태에서 결정구조를 찾기 위해 다양한 가능성을 갖고 접근했고, 최종적으로 2가지 후보군을 도출했다. 이를 대상으로 포논계산을 통해 최종적으로 안정된 결정구조를 제시했고, 두께에 따른 전자구조를 통해 에너지갭 변화를 계산했다. 실험을 통한 측정은 에너지갭에 대한 정보를 광학적 흡수방법을 통해 확인했다. 이러한 전자구조를 바탕으로 흡수계수를 통해 이론적으로 에너지갭을 확인하고 이를 실험과 비교했다. 또한 최종적인 두께와 실험에서 얻어진 박막의 두께 비교도 수행했다. 결론적으로 두께에 따른 자기적 상태, 광학적 밴드갭, 박막의 두께 등 3가지 물리적 상태를 서로 확인하는 단계를 거쳐 최종 결과를 도출했다.
Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 해결(극복)했는지.
A. 제일원리 계산의 특성상, 슈퍼컴퓨팅 작업이 많이 필요한데 원활한 연구 진행을 위한 충분한 슈퍼컴퓨팅 자원을 확보하지 못하는 점이 가장 큰 애로사항이라고 할 수 있다.
Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 실험적으로 나타난 결과를 해석하기 위한 보조적 수단으로 이론연구를 수행하는 것이 아니라는 점이다. 기존 연구는 단순히 실험결과를 제시했고, 구체적인 이유나 물리적 현상에 대한 보고는 전혀 없었다. 또한 아직 이론적으로도 그 이유를 제시한 연구결과는 보고된 적이 없다. 본 연구에서는 이러한 실험결과들이 나타나기 위해서는 어떠한 결정구조를 가져야 하며, 그러한 결정구조에서 나타나는 자기적 상태, 에너지 밴드구조, 및 광학적 특성을 연구해 완벽하게 실험결과를 이해할 수 있다는 내용이 처음으로 제시됐다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 2차원 구조체의 자성 현상에 대한 연구를 심도 있게 진행하고, 연구성과들을 바탕으로 아직 자연계에는 존재하지 않지만 새로운 나노기술을 이용해 합성이 가능한 2차원 구조체에 대한 제시를 목표로 하고 있다. 또한 좀 더 확장해 스핀트로닉스 소자 적용 가능성까지 이론적으로 제시하는 것이 향후 연구계획이다.
