'꿈의 자성체' 실현…상온 작동 2차원 자성 플랫폼 구현

바나듐 셀레나이드(VSe2)에 주목
원하는 위치에 다강성 정밀 도입

(왼쪽부터) 교신저자 김태성 교수, 제1저자 이진형 석박통합과정생, 김건형 석사과정생, 석현호 박사후연구원, 최현빈 석사과정생. (사진=성균관대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]전수현 인턴 기자 = 성균관대는 기계공학부 김태성 교수 연구진이 상온에서도 작동하는 신개념 2차원 자성 플랫폼을 구현하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.

기존의 2차원 자성체들은 대부분 단층 재료(monolayer)를 기계적으로 박리하는 방식으로 얻었으며 극저온 상태에서만 자성이 발현됐다.

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.

이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 본래 자성을 가지지 않는 벌크 상태의 바나듐 셀레나이드(VSe2)에 주목했다. 단층 VSe2는 전자 구조 특성에 의해 상온 강자성 특성을 나타내지만, 벌크 상태에서는 강자성 특성이 발현되지 않는다는 점을 기반으로 뒀다.

반데르발스단층 격리화로 구현된 상온에서 동작하는 벌크 반데르발스 강자성체(Bulk van der Waals ferromagnet). (사진=성균관대 제공) *재판매 및 DB 금지

연구팀은 해당 물질을 아르곤(Ar)과 황화수소(H2S) 플라즈마로 나노결정화(nano-crystallization) 및 단층화 격리(monolyaer isolation) 시켰다. 그 결과 강자성 특성을 인공적으로 발현시키는 데 성공했다.

또한 연구팀은 자기력 현미경(MFM)을 활용해 나노결정화된 VSe2의 자성 도메인(magnetic domain)을 실시간으로 관측했다.

관측 결과 자성을 띤 영역이 자성 도메인에 따라 분명히 구분되고, 그 경계가 나노 크기의 결정립(grain)과 일치하는 것을 확인했다. 더해 결정립 경계가 자성 도메인의 '피닝(pinning, 자성 고정 현상)' 역할을 하며 자성의 분포가 특정 영역에 고정되는 현상을 관측했다.

교신저자 김 교수는 "해당 연구는 기존 자성체들이 갖는 복잡한 상호작용 문제나 크기 확장성의 제약 없이, 원하는 위치에 다강성을 정밀하게 도입할 수 있다는 점에서 큰 기술적 의의가 있다"고 설명했다.

한편 본 연구에는 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단, 한국기계연구원, 파크시스템스 R&D 센터가 공동 연구진으로 참여했다.

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