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2차원 자성반도체 광학 이용한 격자구조 파악 차세대 전자소자 스핀트로닉스 소자연구에 기여할 것


기계공학부 이창구 교수와 포항공과대학 류순민 교수팀은 새로운 2차원 소재인 자성반도체의 구조적 특성을 다양한 광학적 기법을 이용해 분석했다. 그래핀으로 대표되는 2차원 소재는 원자수준의 두께임에도 전기적, 기계적, 화학적 성질이 탁월한 다양한 물성이 존재해 차세대 전자 및 광자소자로 많은 주목을 받고 있다.


최근 연구하고 있는 이황화몰리브덴 같은 2차원 금속칼코겐은 주로 2가지 원소가 결합해 다양한 전기적 특성을 발휘해 유연반도체 및 디스플레이등에 사용될 것으로 기대하고 있다. 기존에 연구된 2가지 원소로 구성된 2차원소재 (2원계 2차원소재)는 물리적 성질 가운데 자성을 띄는 소재가 없었다. 지금까지 반도체 재료로 광범위하게 쓰이는 실리콘은 집적도를 높이기 위한 공정에서 거의 한계에 왔다. 이에 기초과학자들은 차세대 전자소자의 작동방식 및 새로운 소재를 발굴해야 할 시점에 새로운 대안을 모색하고 있다.


과학계에서는 가장 유망한 소자로 자성을 이용해 전하와 스핀을 제어하는 스핀트로닉스(spintronics) 소자를 들고 있다. 2차원 자성반도체는 고집적도의 스핀트로닉스 소자를 구현할 후보물질이 될 것으로 보고 있다.


연구팀은 이러한 2차원 자성반도체중 하나인 삼원계물질 CrPS4(황화인크로뮴)의 원자구조를 간단한 광학현미경과 라만분광법으로 규명하고 투과전자현미경 등으로 이를 확인했다. 이 물질은 반자성 물질로써 원자층 내의 구조가 비등방성을 가진 물질이다. 이러한 방향에 따라서 광학적, 전기적 물성이 달라질 수 있다. 이 성질을 이용해 광학현미경에서 편광을 조사해 반사된 빛을 포착하면 결정의 방향에 따라 명암이 달라져 그 구조를 명확히 알 수 있다.


연구팀은 이를 이용하여 투과전자현미경과 같은 값비싼 장비를 사용하지 않고도 결정구조를 명확하게 확인할 방법을 개발했다. 이 방법은 2차원 자성반도체의 반도체 및 자성 특성의 비등방성을 연구하는 간단하고 강력한 도구이다. 현재 초보적 수준인 2차원 자성반도체의 연구를 쉽게하고, 차세대 전자소자인 2차원소재 기반의 스핀트로닉스 소자 연구에 큰 기여를 할 것으로 예상한다.


본 연구는 ‘ACS nano’ 온라인판 10월 25일자에 게재되었으며 광학기술정보통신부와 정보통신기술진흥센터에서 지원하는 사업이다. ETRI와 공동으로 수행하는 ‘차세대 신기능 스마트디바이스 플랫폼을 위한 대면적 이차원소재 및 소자 원천기술 개발’의 일환으로 개발되었다.


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