반도체나 모바일 기기 분야에서 혁신을 이루기 위해서는 소재를 먼저 찾아야 한다. 눈에 보이지 않는 원자와 전자를 관찰해 소재의 본질을 꿰뚫는 ‘소재 이미징’을 통해서 신소재가 발굴된다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 소재 이미징 기술을 통해 품질이 뛰어난 신소재 합성의 근본적인 구조를 밝혔다.
POSTECH 신소재공학과 최시영 교수와 위스콘신대 매디슨캠퍼스의 엄창범 교수(Prof. Chang-Beom Eom) 연구팀은 원자 구조 소재 이미징을 통해 새로운 물질의 합성 원리를 밝힘으로써 페로브스카이트계 산화물 재료를 사용해 결정성이 좋은 Mn3GaN을 합성하는 데 성공했다. 이 연구성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴스(Science Advances)’ 24일 자에 게재됐다.
스핀홀 효과는 전하 전류와 스핀 전류의 상호 변환을 통해 스핀트로닉스의 자기구조를 매우 효과적으로 조절할 수 있다. 일반적인 대칭 조건에 따르면 스핀 전류에 의한 분극은 전하와 스핀 흐름 모두에 수직하게 되는데 이를 이용하여 미소영역의 자기 구조를 미세전류로 제어할 수 있기 때문이다. 하지만 불완전한 결정에서는 대칭성이 감소하여 스핀에 의한 수직적 분극 경향성은 상실될 수도 있다.
Mn3GaN는 삼각 스핀 구조의 반강자성*1 특성을 가지며, 높은 결정 대칭을 유지하면서 낮은 자기 대칭 상태를 만들어 스핀에 의한 분극 방향을 제어할 수 있다. 하지만 결정성이 훌륭한 Mn3GaN를 제조하는 것은 ‘안티페롭스카이트(antiperovskite)*2’라는 난해한 결정 구조 때문에 거의 불가능한 것으로 여겨졌다.
연구팀은 결정성이 좋은 Mn3GaN을 실현하기 위해서 페로브스카이트계 산화물 재료를 사용한 계면 공학*3을 활용했다. 기존 페로브스카이트 재료에서 발견되지 않은 유용한 물리적 특성을 나타내는 완벽한 결정의 Mn3GaN을 성장시키는 데 성공했다. 또 이러한 훌륭한 결정성은 안티페롭스카이트 질화물과 페로브스카이트 산화물이 접합한 계면에서의 독특한 원자 단층 구조에서 시작됨을 제안했다.
연구를 주도한 최시영 교수는 “이번에 제안한 재료 설계는 원자 수준에서의 화학구조 정보와 전자구조 정보를 이미징 해석하는 원자 이미징 분석 기술을 통해서 실현이 가능하다”며, “이러한 계면 공학은 기존에 존재하지 않았던 현상과 기술을 만들 수 있는 응용의 풍부한 원천이 될 수 있을 것”이라며 기대감을 드러냈다.
한편, 이 연구는 한국연구재단 하이브리드 인터페이스기반 미래소재연구 사업과 POSTECH-삼성전자 산학일체연구센터의 지원으로 수행됐다.
[용어설명]
1. 반강자성(antiferromagnetism): 전자의 스핀(spin)과 관련된 원자나 분자의 자기 모멘트(magnetic moment)가 서로 반대 방향을 가리키면서 규칙적인 형태로 배열
2. 안티페롭스카이트(antiperovskites): 자연에서 흔한 페로브스카이트 구조와 유사한 결정 구조의 일종이다. 중요한 차이점은 단위 세포 구조에서 양이온과 음이온 성분의 위치가 역전된다는 것이다. 페로브스카이트와는 대조적으로 안티페로브스카이트 화합물은 한 종류의 양이온과 조화된 두 종류의 음이온으로 구성된다.
3. 계면 공학(Interface Engineering) : 성질이 서로 다른 두 물질이 맞닿는 경계면을 계면(interface)라고 하고, 이 계면과 그 부근 물질의 상태와 성질을 연구하는 분야
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