부경대 홍지상 교수 연구팀, 결정 구조, 에너지 밴드 구조, 자기적 상태 최초로 규명
홍지상 교수
[대전=일요신문]육심무 기자 = 한국연구재단은 부경대 홍지상 교수 연구팀이 2차원 물질 자성반도체인 페록시하이트(δ-FeOOH)의 결정 구조와 에너지 밴드 구조를 규명했다고 밝혔다.
2차원 물질은 원자가 한 층으로 되어 있는 물질로 열전도율과 전기 전도도가 높아 차세대 반도체, 태양전지, 디스플레이 소자로 주목받고 있고, 자성반도체는 자성을 지닌 반도체로서 강자성 현상과 에너지 갭을 가지는 반도체의 특성을 모두 보인다.
최근 실리콘 트랜지스터 반도체가 가진 물리적·재료적 한계로 속도와 집적도 등 성능 향상이 어려워지면서 스핀트로닉스 소자와 같은 차세대 반도체소자 개발을 위한 연구가 활발해지고 있다.
스핀트로닉스 소자는: 전자가 가진 전하의 성질과 양자역학적 물리량인 스핀을 이용한 차세대 반도체 소자로서 전기가 흐르냐 흐르지 않느냐를 따져 0과 1을 구분하는 기존 반도체와 달리 전류가 흐를 때 전자의 스핀상태까지도 이용하는 소자이다.
고성능·저전력의 스핀트로닉스 소자 개발을 위해서는 상온에서 강자성 현상을 보이는 물질이 필요한데, 최근 1.2 나노미터(nm) 두께의 페록시하이트라는 2차원 물질이 상온에서 강자성 현상과 2.2 전자볼트(eV) 정도의 광학적 밴드갭을 가진다는 실험 결과가 보고되어 학계의 관심을 끌었다.
광학적 밴드갭은 반도체 물질의 에너지 밴드를 측정하는 하나의 방법으로 빛을 입사하여 흡수가 일어나기 시작하는 에너지를 지칭한다.
하지만 페록시하이트가 이러한 2차원 자성반도체의 성질이 있다는 정도만 밝혀졌을 뿐 이 물질의 결정 구조, 에너지 밴드 구조, 자기적 상태 등과 같은 물리적 특성은 전혀 밝혀지지 않았다.
이에 연구팀은 기존 페록시하이트 연구에서 보고된 모체물질의 후보물질을 찾아낸 뒤 이 물질의 2차원 박막 두께를 변화시키며 나타나는 자기적 특성, 광학적 특성 및 전자구조를 계산했다.
연구팀은 이 결과를 기존 실험 내용과 비교하는 방식을 통해 페록시하이트의 결정 구조, 에너지 밴드 구조, 자기적 상태 등 세 가지 물리적 성질을 최초로 규명하는 데 성공했다.
홍지상 교수는 “이 연구는 상온에서 자기적 특성을 갖는 2차원 자성반도체, 페록시하이트의 물리적 성질을 처음으로 밝혀낸 것”이라며 “앞으로 이론적으로 제시된 결정구조를 확인하는 추가 연구와 스핀트로닉스 소자 연구 활성화에 기여할 것으로 기대된다”고 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행되었다. 재료과학분야 국제학술지 ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스(ACS applied materials & interfaces) 9월 20일자에 게재되었다.(논문명 : Two-dimensional magnetic semiconductor in feroxyhyte(δ-FeOOH))
ilyo08@ilyo.co.kr