나노구조물리연구단 이영희 단장 연구팀,
 상온 강자성반도체를 구현하여
반세기 과학 난제 해결
- 바나듐을 치환 도핑한 2차원 이셀레늄화텅스텐 합성 및 상온 강자성 확인

[그림1] 이영희 교수, 윤석준 연구원

묽은 자성반도체는 모태 반도체에 자성불순물을 주입한 물질 군으로, 전하와 스핀을 동시에 제어할 수 있어 초고속, 초저전력 및 초고집적도가 가능한 스핀트로닉스의 핵심 소재로 기대를 받아왔다. 

하지만 반세기 동안의 연구에도 불구하고 상온 이하의 낮은 큐리온도(스핀이 강자성 정렬을 띄는 최소온도) 및 물질 내의 조성 불균일 때문에 자성반도체를 활용한 스핀트로닉스의 상용화가 어려워 해결해야 할 과학 난제로  남아있었다.

우리 대학은 미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단(윤석준, Duong Dinh Loc 연구원, 연구단장 이영희)이 이런 문제를 해결하기 위해 화학기상증착법을 이용하여 바나듐(V)이 도핑된 단분자층 이차원 이셀레늄화텅스텐(이하 V-doped WSe2)을 합성하고 상온 이상의 큐리온도를 띄는 것을 확인했다고 밝혔다.

[그림2] 액상 전구체를 활용한 단분자층 V-doped WSe2의 화학기상증착법 도식도

연구팀은 초민감 자기력현미경을 활용하여 단분자층 V-doped WSe2의 자기구역(magnetic domain)을 관측하였으며, 온도 및 자화 방향에 따른 자기구역의 변화를 분석하여 상온 이상의 큐리온도를 가지는 것을 확인하였다. 또한 투과전자현미경을 이용한 원자구조 분석을 통해, 바나듐이 이셀레늄화텅스텐에 고르게 분포하는 것을 확인하여 기존의 문제였던 원소조성 불균일 문제도 해결했다. 또 전자밀도를 바꾸어 강자성모멘트를 제어할 수 있음을 보여주었다. 연구팀이 개발한 상온 묽은 강자성반도체는 웨이퍼크기의 합성이 가능하여 빠른 시일 내에 상용화가 가능할 것으로 예측된다. 

이번 연구를 이끈 이영희 단장은 "과거 반세기동안 과학 난제로 알려진 상온 강자성반도체가 단분자층 수준의 얇은 물질 내에서 존재할 수 있음을 보여주어 스핀전자소자 및 양자컴퓨터 응용에 획기적 전환점을 가져올 것으로 기대한다”고 밝혔다. 

[그림 3] 온도 및 자성 탐침의 자화 방향에 따른 단분자층 V-doped WSe2의 자기력 현미경 그림들  

본 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 어드밴스드 사이언스 (Advanced Science, IF 15.804)에 3월 11일 게재됐다.