‘꿈의 자성체’실현…상온에서도 동작하는 반데르발스 강자성체 개발

- 차세대 스핀트로닉스 소자 및 반데르발스 자성 반도체 연구 가속화 기대

▲ (왼쪽부터) 교신저자 김태성 교수, 제1저자 이진형 석박통합과정생,

김건형 석사과정생, 석현호 박사후연구원, 최현빈 석사과정생

“강자성체를 나노미터 수준에서 설계하고, 상온에서도 작동시킬 수 있다면?” 이 질문에 대한 해답이 드디어 나왔다. 6월 2일 기계공학부 김태성 교수 연구진이 비자성 물질인 벌크 바나듐 셀레나이드(VSe)에 인공적으로 자성을 부여해, 기존 2차원 강자성체(van der Waals ferromagnet)의 근본적인 한계를 극복하고 상온에서도 작동하는 신개념 2차원 자성 플랫폼을 구현하는 데 성공했다.

기존의 2차원 자성체들은 대부분 단층 재료(monolayer)를 기계적으로 박리하는 방식으로 얻었고, 극저온 상태에서만 자성이 발현되었다. 이는 실용적인 대면적 합성이나 소자의 상온 작동에 매우 부적합했다. 또한, 층간 상호작용이 약한 2차원 물질 특성상 자성의 유지가 이론적으로 어렵다는 '머민-바그너 정리(Mermin-Wagner theorem)'로 인해, 오랜 기간 2차원 상온 강자성(Ferromagnetism)* 특성 구현은 불가능한 영역으로 여겨졌다.

* 강자성(Ferromagnetism): 외부 자기장이 없는 상태에서도 자화를 유지하는 특성

이러한 기존 한계점을 극복하기 위하여, 연구팀은 본래 자성을 가지지 않는 벌크 상태의 바나듐 셀레나이드(VSe2)에 주목했다. 이 물질을 아르곤(Ar)과 황화수소(H2S) 플라즈마로 나노결정화(nano-crystallization) 및 단층화 격리 (monolyaer isolation) 시킴으로써, 강자성 특성을 인공적으로 발현시키는데 성공했다. 단층 VSe2는 전자 구조 특성에 의해 상온 강자성 특성을 나타내지만, 벌크 상태에서는 강자성 특성이 발현되지 않는다는 점을 기반으로 연구팀은 나노결정화를 통해 벌크 상태에서 억제된 강자성 특성을 인공적으로 발현시킨 것이다.

연구팀은 자기력 현미경(MFM) 을 활용하여 나노결정화된 VSe2의 자성 도메인(magnetic domain)을 실시간으로 관측하여 자성을 띤 영역이 자성 도메인에 따라 분명히 구분되고, 그 경계가 나노 크기의 결정립(grain)과 일치하는 것을 확인하여, 결정립 경계가 자성 도메인의 '피닝(pinning, 자성 고정 현상)' 역할을 하며 자성의 분포가 특정 영역에 고정되는 현상도 관측하였다. 뿐만 아니라, 전자현미경(TEM), 에너지 분산 X선 분석(EDS), X선 광전자 분광법(XPS) 등을 통해 나노결정화와 격자 왜곡을 구조적·화학적으로 검증했다. 이번 연구 성과는 반데르발스 강자성체 연구의 범용성과 집적 가능성을 획기적으로 높이며, 차세대 스핀트로닉스(Spintronics) 및 양자 분야의 새로운 지평을 열 것으로 예상된다.

교신저자 김태성 교수는 "해당 연구가 향후 다양한 물질군으로 확장될 수 있다고 보고 있으며, 인공적으로 다강성(mutiferroic)을 조절하고 설계할 수 있는 새로운 반데르발스(van der Waals) 소재 플랫폼으로 발전시킬 계획이다. 특히 기존 자성체들이 갖는 복잡한 상호작용 문제나 크기 확장성의 제약 없이, 원하는 위치에 다강성을 정밀하게 도입할 수 있다는 점에서 큰 기술적 의의가 있다" 라고 밝혔다.

본 연구에는 기초과학연구원 (IBS) 양자나노과학 연구단, 한국기계연구원, 파크시스템스 R&D 센터가 공동 연구진으로 참여하였으며, 해당 연구 성과는 세계적인 국제학술지 “Advanced Science”에 5월 30일자로 게재되었다.

※ 논문명: Artificial Room-temperature Ferromagnetism of Bulk van der Waals VSe2

※ 저자명: 교신저자 김태성 교수, 제1저자 이진형 석박통합과정생, 김건형 석사과정생, 석현호 박사후연구원, 최현빈 석사과정생

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/advs.202504746