세계 최초 차세대 자성 반도체 물질 발견-외부 잡음에 강하고 정보 손실이 없는 스핀 정보 소자 구현에 중요한 역할

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2021. 11. 26.

세계 최초 차세대 자성 반도체 물질 발견-외부 잡음에 강하고 정보 손실이 없는 스핀 정보 소자 구현에 중요한 역할

보도일 2021-11-25 01:00연구단명 원자제어 저차원 전자계 연구단

 

 

세계 최초 차세대 자성 반도체 물질 발견

- 외부 잡음에 강하고 정보 손실이 없는 스핀 정보 소자 구현에 중요한 역할 -

- 기존 자성체 대비 10만배 이상 큰 각자기저항 … Nature誌에 논문 게재 -

 

 기초과학연구원(원장 노도영) 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅), 강상관계 물질 연구단(단장 노태원)은 자성을 띠는 반도체 물질에서 초거대 각자기저항 현상을 세계 최초로 발견했다. 

 이번 성과는 자기장의 크기가 일정한 경우 스핀 스핀: 전자가 갖는 양자역학적인 고유 각운동량 성분, 자석의 원인

 각도에 따라 자기저항의 크기가 10억배까지 크게 변화할 수 있는 자성 반도체 자성 반도체: 자석처럼 내부 전자의 스핀이 정렬된 상태로, 실리콘처럼 전류의 흐름이 외부인자에 의해 조절되는 반도체

 물질을 세계 최초로 발견했다는 점에서 의미가 크다.

 초거대 각자기저항 현상은 기존의 반도체 특성과 위상 자성체 특성을 결합하는 계기가 될 뿐만 아니라 외부 잡음에 강하고 정보 손실이 없는 스핀 정보 소자로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 스핀 정보 소자 기술(스핀트로닉스)은 에너지 효율이 높고 정보연산과 저장이 동시에 가능해 기존 반도체 기술의 한계를 보완·대체할 기술로 여겨진다.

 이번 연구는 이전까지 보고된 대부분의 위상자성체가 금속 물질임을 착안해, 반대로 반도체 특성을 가지는 위상자성체 후보 물질을 찾는데 계속 집중해왔다. 그 결과 자성반도체 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(이하, Mn3Si2Te6)의 스핀방향을 외부자기장을 이용해 회전시키면 전류가 흐르지 않는 부도체상태와 전류가 흐르는 금속상태로 쉽게 조절된다는 것을 전도 및 광학 특성 측정을 통해 발견하였다. 이론적으로도 전자구조 계산과 위상분석을 통해 부도체-금속 상전이에 기인한다는 점을 규명하였다. 

 위상학적인 전자상태 위상학적인 전자상태(topological state): 고체 물질의 전자구조가 뫼비우스 띠처럼 꼬인 경우 나타나는 전자상태.

가 존재하는 자성체에서 나타나는 고유한 특성이며, 외부 잡음이나 불순물에 강한 특성이 있다. 이러한 특성을 갖는 Mn3Si2Te6 자성체는 기존의 반도체처럼 전기장으로 전류의 흐름을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 자기장 또는 스핀 방향으로 전류 흐름을 효과적으로 조절할 수 있다. 따라서 이러한 특징을 잘 활용하면 전하와 스핀의 정보를 동시에 이용하는 초고속·초전력 대용량 스핀 메모리 소자 구현을 앞당길 수 있다.

 위상 자성물질 연구는 국제적으로 치열한 경쟁이 벌어지고 있는 분야로 국내 공동연구진이 선도적인 역할을 하고 있음을 보여주는 사례이다. 연구진은 원자제어 저차원 전자계 연구단 김준성 학연연구위원(POSTECH 물리학과 교수)과 강상관계 물질 연구단 양범정 연구위원(서울대 물리천문학부 교수), 한국원자력연구원 김규 박사, 연세대 물리학과 김재훈 교수 등으로 많은 연구원이 참여했다.

 김준성 학연연구위원은 “2018년 위상학적 전자상태를 갖는 자성 금속을 발견한 데 이어 같은 원리를 자성 반도체에 적용해 얻어낸 성과”라며 “국내 공동 연구진이 자성 위상물질 분야에서 선도적인 역할을 하고 있음을 보여주는 사례”라며 그 의미를 밝혔다. 

 이번 연구는 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 49.962)에 11월 25일 온라인 게재됐다. 

 

연 구 추 가 설 명

 

 

논문/저널/저자

 

Colossal angular magnetoresistance in ferrimagnetic nodal-line semiconductors / Nature

 

(제1저자) 서준호, Chandan De, 하현수, 이지은 (교신저자) 김재훈, 양범정, 김규, 김준성 (참여저자) 박선규, 박준범, Yurii Skourski, 최은상, 김봉재, 조길영, 염한웅, 정상욱

연구내용

보충 설명

 위상학적 전자상태가 존재하는 자성 반도체를 이용해 스핀 방향을 외부자기장으로 조절하여 전류를 흐르거나 흐르지 못하게 조절할 수 있다는 점을 고안했다. 이러한 현상이 준강자성 반도체인 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(Mn3Si2Te6)에서 실제로 나타난다는 것을 처음으로 발견하였다. 해당 물질에서 나타나는 자기저항은 스핀의 각도에 따라 최대 10억 배까지 변화하였고 이를 초거대 각자기저항으로 명명하였다. 이번에 발견된 현상과 소재를 이용하면 스핀 정보를 전기신호로 민감하게 변환하는 것이 가능해져 새로운 스핀 정보 소자를 개발하는데 중요하게 기여할 것으로 기대된다.

연구 이야기

 

[위상 자성체란 무잇이며, 어떤 것이 새로운가?]

  위상학적인 전자상태는 고체 물질의 전자구조가 뫼비우스의 띠처럼 꼬여진 구조를 가질 때 나타나는 전자상태로, 고체 물질의 물성을 깊이 이해하고 새로운 물성을 찾아내기 위한 열쇠로 여겨지고 있다. 최근 위상학적인 전자상태를 가지는 고체 물질에 대한 연구가 심화되면서, 자성과 위상학적 전자상태를 동시에 갖는 물질인 위상 자성체에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 

  위상 자성체는 기존의 위상물질과 달리 자성에 따라 위상학적 전자 상태의 특성이 변화되는 물질이다. 보통의 위상물질은 한번 합성된 후에는 전자상태의 특성이 잘 바뀌지 않는 위상학적 안정성을 가진다. 위상 자성체의 경우는 위상학적인 안정성을 가지면서도 자성상태에 따라 변조도 가능하기 때문에 위상학적 스핀 정보 소자라는 새로운 응용이 가능해진다. 최근 새로운 위상자성체를 합성하고 특이한 물성을 발견하려는 전 세계적인 노력을 통해, 자성 위상 금속에서 나타나는 거대 이상 홀효과나 자성 위상 부도체에서 나타나는 양자 이상 홀효과 등 흥미로운 물성이 보고되었다. 

  이번에 발견된 위상학적 전자상태를 갖는 자성 반도체, 즉 자성 위상반도체에서는  초거대 각자기저항 현상이라는 새로운 물성이 발현된다. 연구진은 보통의 반도체에서 전기장으로 전류의 흐름을 조절하는 것처럼, 스핀의 방향을 이용해 전류의 흐름을 조절할 수 있다는 점을 최초로 발견하였다. 이러한 성과는 반도체 특성과 위상 자성체 특성을 결합하는 계기가 될 뿐만 아니라 이를 이용한 스핀 정보 소자 연구로 이어질 것으로 기대된다. 

 

 

[이번 연구는 어떻게 시작되었나]

연구진은 2018년 위상학적 전자상태와 강자성을 동시에 가지는 위상 강자성 금속을 발견해 네이처 머티리얼스지(Nature Materials, IF:43.84)에 보고한 바 있다. 당시 발견한 물질은 위상학적 전자상태가 마디선 (nodal line) 형태를 갖는 강자성 금속으로, 양자역학적 자기장이 강하게 발현되기 때문에 이상 홀효과가 기존 자성물질에 비해 크게 나타나는 것이 특징이었다. 

 연구진은 앞서 보고한 위상자성체의 특성이 일반적으로 나타날 수 있음과 현재까지 보고된 대부분의 위상자성체가 금속 물질임을 착안해, 반대로 반도체 특성을 가지는 위상자성체 연구를 시작하였다. 자성 위상 반도체는 위상학적 전자상태가 전도띠 (conduction band) 또는 원자가전자띠 (valence band)에  존재하는 경우이다. 이 경우 스핀 방향을 외부자기장으로 조절하면 전류를 흐르거나 흐르지 못하게 조절할 수 있을 것으로 기대되고, 이는 자성 위상 금속이나 보통의 반도체에서는 나타날 수 없는 자성 위상 반도체만의 고유한 특성이다. 기존의 자성체에서 스핀의 방향을 바꾸었을 때 전류의 흐름이 일부 조절되는 경우는 있지만, 전류를 완전히 흐르거나 흐르지 못하게 조절하는 경우는 보고된 바가 없었다.

 이에 연구진은 해당 현상이 구현될 수 있는 실제 물질을 찾는데 집중했고, 연구진이 주로 연구하고 있던 반데르발스 물질에서 그 후보물질을 탐구했다. 그 결과, 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(Mn3Si2Te6)라는 물질에서 스핀 방향에 따라 위상학적 전자상태의 변화가 나타날 수 있음을 예측하였고, 합성된 단결정의 전도성이 자기장의 방향에 따라 10억 배 정도 급격하게 변화하는 것을 발견하였다. 이러한 초거대 각자기저항 현상이 스핀 방향에 따라 유도되는 부도체-금속 상전이에 기인한다는 점을 이론적으로 규명하고, 자기장 방향에 따른 광학 특성 측정을 통해 이를 직접적으로 관측하였다.

 

[이번 연구의 의미와 향후 응용 방안]

  이번 성과는 국내 연구진 주도로 2018년 새로운 자성 위상금속을 발견한 데 이어, 그 연장선상에서 새로운 자성 위상반도체를 발견한 것이다. 국내 공동연구진이 국제적으로 치열한 경쟁이 벌어지고 있는 위상 자성물질 연구분야에서 선도적인 역할을 하고 있음을 보여주는 사례이다. 경쟁이 치열한 분야에서 세계적인 연구성과를 연달아 낼 수 있었던 이유는 국내 연구진이 각자의 전문성과 경험을 모아 새로운 발견을 위해 노력을 경주한 데 있고, 기초과학연구원의 원자제어 저차원 전자계 연구단과 토폴로지 물질 선도연구센터 등을 통해 안정적인 연구지원을 받을 수 있었기 때문이다.

 이번에 발견된 자성 위상반도체의 초거대 각자기저항 현상은 향후 고도로 예민한 자기장 방향 감지나 스핀 정보의 관측에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 스핀 정보 소자 기술(스핀트로닉스)은 에너지 효율이 높고 정보연산과 저장이 동시에 가능해 기존 반도체 기술의 한계를 보완·대체할 기술로 여겨진다. 이번에 발견한 현상으로 스핀과 전하의 자유도를 전기장과 자기장으로 동시에 조절하는 새로운 형태의 스핀 정보 소자로의 활용 가능성도 무궁무진하다.

 또한, 이번에 발견된 초거대 각자기저항 현상은 자성 반도체에서 광범위하게 나타날 것으로 기대되기 때문에 향후 다양한 자성 반도체에 대해 원소치환, 인장력 또는 압력을 이용한 심화연구가 촉발될 것으로 예상된다. 이러한 후속 연구를 통해 향후 작동 온도를 상온 근처까지 높이고, 초거대 각자기저항의 크기를 최적화한다면, 보다 실질적인 응용 연구까지 확장될 것으로 기대된다. 

 

 

 

 

 

그   림   설   명

 

 

[그림 1] 위상 자성 반도체

위상 자성 반도체에서 나타날 수 있는 반금속-금속 전이 현상을 설명하는 모식도. 위상학적 마디선은 에너지와 운동량 공간에서 전자띠가 서로 만나는 지점이 선으로 이어진 것을 말한다. 이와 동시에 자성을 가질 경우에, 스핀의 방향이 변화할 때 달라지는 스핀궤도결합 에너지에 의해 반도체(왼쪽)와 금속(오른쪽)의 두 가지 상태를 가질 수 있다.

 

 

[그림 2] 위상 자성체 Mn3Si2Te6의 결정 구조 및 사진

위상 자성체로 밝혀진 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(Mn3Si2Te6)은 텔루륨(Te, 회색)으로 분리된 층 사이에 망간 원자(Mn, 빨간색)가 끼어들어가 있는 특별한 구조를 가지고 있다(왼쪽 위). 기본구조를 이루는 망간 원자를 망간1 층(오른쪽 위)으로, 층 사이로 끼어들어간 망간 원자를 망간2 층(오른쪽 아래)으로 정의 할 때, 두 층이 가진 스핀의 크기와 방향이 달라 준강자성을 띤다. 왼쪽 아래는 실제 합성된 Mn3Si2Te6의 단결정이다.

 

 

 

 

[그림 3] 초거대 각자기저항

합성된 Mn3Si2Te6의 단결정의 비저항을 측정한 결과 나타난 초거대 각자기저항이 나타났다. 그림 중앙의 모식도와 같이 외부자기장의 각도를 바꿔가며 스핀의 방향을 조절하며 비저항을 측정해보면, 각도에 따라 최대 10억배의 비저항 변화가 나타난다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

연구진 이력사항

 

<김준성 IBS 원자제어 저차원 전자계 학연연구위원, 공동 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단 연구위원

            포스텍 물리학과 교수

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

  2004 – 2008 독일 막스플랑크 고체연구소 연구원

  2008 - 2009 서울대학교 물리학과 BK 연구교수

  2009 - 현재 포스텍 물리학과 조/부/정교수

  2016 - 현재 IBS 원자제어저차원전자계 연구단 연구위원, 학연연구위원

 

3. 수상내역

  2014 한국물리학회 신진 물리학자상 수상

  2018    한국초전도학회 삼동초전도학술상 수상

 

<김규 박사, 한국원자력연구원 중성자과학부 책임연구원, 공동 교신저자> 

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 한국원자력연구원 중성자과학부 책임연구원

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 2006 – 2009  포스텍 물리학과, 연구원

 2009 – 2010  미국 Rutgers University, 연구원

 2010 – 2016  포스텍 물리학과, 연구교수

 2016 – 2019  막스플랑크 한국/포스텍 연구소, 복합물질 연구센터, 책임연구원

 2019 – 현재  한국원자력연구원 중성자과학부, 책임연구원

<양범정 IBS 강상관계 물질 연구단 연구위원, 공동 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : IBS 강상관계 물질 연구단 연구위원    

      서울대 물리천문학부 부교수                       

 

 

 

 

 

 

   

 

2. 경력사항

  2008 – 2010   캐나다 토론토 대학 연구원

  2010 - 2015   일본 이화학 연구소 연구원

  2015 – 현재  서울대학교 물리천문학부 조/부교수

  2016 - 현재   IBS 강상관계 물질 연구단 연구위원

 

3. 수상내역

  2017    한국물리학회 신진 물리학자상 수상

  2018    포스코 청암재단 신진교수 펠로우

  2020    한성과학상 물리학 부분 

 

 

 

 

 

<김재훈 연세대학교 물리학과 교수, 공동 교신저자> 

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 연세대학교 물리학과

 

 

 

 

 

 

 

2. 주요 경력사항

  1992 - 1992 Stanford University, Solid State Laboratory, 박사후연구원

  1992 - 1995 University of Groningen (Netherlands)/FOM, 박사후연구원

  1995 - 현재 연세대학교 물리학과 조/부/정교수