자성반도체 핵심소재 '2차원 자성원자층' 구현

IBS, 차세대 '자성반도체' 핵심 소재 개발

실리콘 반도체를 대체할 차세대 반도체로 주목받는 자성반도체 제작에 사용할 수 있는 원자 한 개 두께의 2차원 자성원차층을 국내 연구진이 처음으로 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단(단장 노태원 서울대 물리천문학부 교수)은 17일 반데르발스 힘을 갖는 물질을 이용해 2차원 자성원자층을 추출하는 데성공했다고 밝혔다.

현재 상용화돼 널리 쓰이는 실리콘 반도체가 트랜지스터 집적기술 한계와 발열문제 등으로 고집적화에 제동이 걸리면서 이를 대체할 새로운 반도체 기술과 신소재연구가 활발히 진행되고 있다.

이 가운데 자성원자층은 초고속, 초저전력, 초고집적 특성을 갖는 차세대 반도체인 자성반도체의 핵심 소재로 기대를 모으고 있다.

연구진은 니켈(Ni)과 인(P), 황(S) 세 개가 결합해 2차원 평면을 이루는 삼황화린니켈(NiPS₃)을 합성하고 이를 원자 한 개 층으로 박리해 반데르발스 물질 기반의2차원 벌집구조 자성원자층을 제작했다.

이들은 또 삼황화린니켈이 절대온도 155K(영하 118℃) 이하에서 반강자성 정렬을 하는 물질로, 단일층으로 구현하게 되면 자성을 갖는 것을 확인했다.

반데르발스 힘은 분자가 이온결합이나 공유결합이 아닌, 분자 내 혹은 분자 간전자의 스핀편극으로 인해 갖는 인력이나 척력으로 반데르발스 물질은 분자 간 힘이약해 얇은 막으로 분리하는 데 유리하다.

연구진은 이번 성과로 2차원 자성물질에 대한 새로운 기초 연구가 가능해졌고향후 획기적인 스핀전자소자 개발을 위한 신소재 확보를 기대할 수 있게 됐다고 밝혔다.

연구진은 지금까지 대부분 자성원자층은 고가의 장치를 이용한 산화물박막 제작으로 얻었는데 이런 산화물 기반 자성원자층은 원자 치환 등 기술적 응용이 힘들어상용화가 어려웠다며 이 연구는 2차원 자성원자층을 삼황화린니켈 덩어리에서 기계적으로 박리해 구현한 것이 핵심이라고 설명했다.

이들은 또 삼황화린니켈 자성원자층은 자성원소인 니켈을 다른 강자성 원소인철(Fe), 코발트(Co) 등 다양한 물질로 치환할 수 있어 다양한 기술적 응용이 가능할것으로 전망했다.

연구를 주도한 박제근 부단장(서울대학교 물리천문학부 교수)은 "반데르발스 물질의 자성원자층 구현에 처음으로 성공해 2차원 원자층의 자성현상 연구에 새로운돌파구를 찾았다"며 "2차원 자성원자층을 반도체 소자 등으로 구현하는 후속연구를진행하고 있다"고 밝혔다.

이 연구결과는 '사이언티픽 리포트'(Scientific Reports, 2월 15일자) 온라인판에 게재됐다.

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