덩어리 상태의 2차원 물질서 '상온 강자성' 첫 구현

왼쪽부터 김태성 성균관대 기계공학부 교수, 이진형 석박통합과정생, 김건형 석사과정생, 석현호 박사후연구원, 최현빈 석사과정생. 성균관대 제공

국내 연구팀이 덩어리(벌크) 상태의 2차원 물질에 강자성을 인공적으로 부여하고 상온에서 강자성을 유지하는 데 처음으로 성공했다. 연구결과는 자성 반도체나 자성 메모리 소자 등 차세대 소자에 응용될 것으로 기대된다.

성균관대는 김태성 기계공학부 교수팀이 기존 2차원 강자성체의 근본적 한계를 극복하고 상온에서 작동하는 신개념 2차원 자성 플랫폼을 구현하는 데 성공했다고 2일 밝혔다. 연구결과는 5월 30일(현지시간) 국제학술지 '어드밴스드 사이언스'에 공개됐다.

매우 얇은 2차원 물질은 층과 층 사이의 상호작용이 약해 자성 유지가 어렵다는 이론인 '머민-바그너 정리'에 따라 2차원 강자성체 구현이 어려운 것으로 알려졌다. 강자성은 외부 자기장이 없는 상태에서도 자성을 유지하는 특성이다.

일부 2차원 강자성체가 보고됐지만 단층으로 존재하거나 극저온일 때만 자성을 나타내 실용적인 대면적 합성이나 상온 소자 구현에 부적합했다. 

연구팀은 2차원 물질인 바나듐셀레나이드(VSe2)에 주목했다. 바나듐셀레나이드는 단일층일 때는 전자 구조의 특성에 따라 상온에서 강자성 특성을 나타내지만 벌크 상태에서는 자성을 띠지 않는다.

연구팀은 바나듐셀레나이드 표면에서 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 단위의 결정화를 유도해 상온 강자성 특성을 나타내도록 하는 데 성공했다.

황화수소(H2S)와 아르곤(Ar) 가스를 고온의 플라즈마 상태로 만들어 바나듐셀레나이드 표면을 때리면 황(S) 원자가 침투해 표면에 있는 3~4개의 원자층이 마치 단층일 때와 비슷한 특성을 드러낸다는 사실을 활용했다.

연구 제1저자인 이진형 성균관대 기계공학부 석박통학과정생은 "벌크 상태의 2차원 물질에서 상온 강자성을 인공적으로 구현한 사례로는 처음"이라고 설명했다.

자기력현미경(MFM)으로 바나듐셀레나이드 내부를 관측한 결과 자성의 분포가 특정 영역에서만 형성돼 고정되는 현상이 관측됐다.

 
김 교수는 "기존 자성체에서 나타나는 확장성의 제약 없이 원하는 위치에 자성을 정밀하게 구현할 수 있을 것으로 기대한다"며 "이번 연구결과가 향후 다양한 물질군으로 확장될 수 있다고 본다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/advs.202504746

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]