^*다강체: 일반적으로 ‘강자성(磁性, ferromagnetism)’과 ‘강유전성(誘電性, ferroelectric)’을 가진 물질을 말한다. 강자성은 자석처럼 N극과 S극으로 나뉘는 성질, 강유전성은 양극(+)과 음극(-)으로 극이 나뉘면서 전기적인 성질을 띠는 것을 말한다.

^*반데르발스 힘(van der Waals force): 무극성 분자에서도 전하의 순간적인 쏠림 현상에 의해 극성(음극, 양극)이 발생할 수 있는데, 이때 생기는 인력이나 척력을 말한다. 이 힘으로 인한 화학결합은 반데르발스 결합이라 부른다.

^*공유결합(共有結合, covalent bond): 화학결합 중 전자를 원자들이 공유했을 때 생성되는 결합. 공유결합을 형성하는 분자는 원자핵과 전자쌍 간의 인력과 원자 간 척력에 의해 안정화돼 있다.

^*스핀(spin): 원자내의 전자는 지구가 태양주위를 공전하듯이 원자핵주위를 도는 궤도 운동과 지구가 자전을 하는 것과 같은 회전운동을 하는데, 이 때 이 회전운동을 스핀이라고 한다. 이 스핀 방향에 따라 물질의 자기적 성질이 결정된다.

^*전기쌍극자(electric dipole): 결합에 참여한 원자의 전기음성도(전자를 좋아하는 정도)에 따라 분자내에서 음전하를 띄는 곳과 양전하를 띠는 곳으로 분리되는데 이를 전기쌍극자라 한다.

[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

다강체는 강자성과 강유전성과 같이 한 종류 이상의 정렬을 동시에 지니는 기능성 물질이다. 전기적 자극에 의해 자성변화를 유도할 수 있기 때문에 스핀1)소자와 같은 차세대 기술에 많은 응용이 기대되고 있다.

대표적으로 BiFeO3는 강유전 전이 온도2)는 1100 K 정도이고, 반강자성(antiferrimagnetism) 전이 Neel 온도3)는 643 K 정도로 전이온도가 매우 낮은 타 다강체에 비해 높은 응용성이 기대되고 있다. 그러나 반강자성(antiferrimagnetism) 문제점을 해결하기 위해 강자성체 (Cr0.9Fe0.1) 계면접합을 통해 계면유도강자성을 얻거나, 스핀-궤도를 활용한 약한 강자성 (canted ferromagnetism)을 활용하는 연구가 발표되었다. 또한 도메인 구조문제 해결을 위해 기판위 박막을 통한 격자 변형 등을 통한 연구가 진행 중이다. 이와 같은 접근 방식에서 전기적 자극에 의한 강자성 크기 변화는 단일상에서는 결합상수가(전기장으로 자성 또는 자기장으로 유전성을 조절 할 수 있는 정도) 매우 작은 문제점이 있고, 이종(二種)결합 물질은 구조적 및 화학적 유사성에 의해 제한 받는다.

반면에 반데르발스 층상 물질은 이종결합에 대한 구조적 및 화학적 제약조건이 없어 기존에는 볼 수 없었던 이종결합 자유도가 존재하다. 최근 2017년 논문발표에 의하면 이차원 한층 두께 물질 (CrGeTe3, CrI3)에서도 강자성 정렬이 관측되었다. 또한 층상 강유전체 물질 (In2Se3, CuInP2S6)도 보고되었다. 이차원 강유전체와 강자성체를 반데르발스 결합시켜 다강성을 얻을 수 있으면 새로운 개념의 이차원 다강체를 실현하게 된다. 하지만 반데르발스 결합을 통해 어떻게 이차원 다강체가 가능한지는 중요한 물리적 문제라 할 수 있다. 실제로 실현화된다면, 기존 공유결합에 의존하는 다강체 모식도에서 반데르발스 형태의 새로운 군이 추가되어야 할 것이다.

2. 연구내용

반데르발스 기반 이차원 다강체 가능성을 연구하기 위해 범밀도함수에 기반한 이론계산을 수행하였다. 강자성체로 크롬복합물(CrGeTe3), 강유전체로 인듐복합물 (In2Se3)을 선택하여 최소단위의 주기적 단위셀을 구성하였다(그림 1).

반데르발스 기판 역할을 하는 In2Se3는 총 5개 원자층으로 이루어져 있고 충간 층에 있는 셀레늄(Se) 원자의 상대적 위치에 따라 전기쌍극자 방향은 위쪽 혹은 아래쪽이 가능하다. 전기쌍극자4) 방향 전환에 필요한 에너지 장벽은 0.09 eV 로 계산되었으며 실질적 제어에 에너지적 한계는 없을 것으로 판단된다.

강자성 정렬 특성과 관련된 CrGeTe3 는 두층 박막까지 강자성 전이가 실제로 관측되었으며 Cr 스핀의 선호방향은 면에 수직 방향이어야 함이 밝혀졌다. 이번 연구에는 Cr 스핀의 선호방향이 수직 방향이면 강자성 전이가 0 K 이상에서 나타나고, 수평방향이면 나타나지 않는다는 물리적 이론을 활용하였다. 한층 CrGeT3를 In2Se3 한층 위에 반데르발스 접합5)시킨 후 Cr 스핀의 방향을 수직방향에서 수평방향으로 변경하면서 총에너지 계산을 수행하였다. 계산결과 In2Se3의 전기쌍극자 방향이 위쪽(아래쪽)이면 Cr 스핀은 수평(수직)방향이 안정하다. 이는 In2Se3의 전기쌍극자 방향에 따라 CrGeTe3의 자기정렬이 강자성 혹은 상자성이 나타날 수 있음을 의미한다.

계산결과에 대한 물리적 해석을 위해 원자형태 스핀-궤도 상호작용에 대한 섭동이론을 사용하였다. Cr 원자에 대한 섭동분석결과 In2Se3 전자띠의 에너지 준위는 전기쌍극자 방향에 따라 1 eV 정도 차이가 생기며 전기쌍극자 방향이 아래쪽인 경우 계면 오비탈6) 혼성효과로 Cr 스핀의 선호방향이 수평방향에서 수직방향으로 됨을 밝혔다. 이는 계면 간격을 줄여감에 따라 Cr 스핀 이방성 에너지크기가 증가하는 계산결과와 일맥상통한다. 또한 계면에 인접한 Te과 Se원자의 스핀-궤도 상호작용 효과도 중요하게 작용하고 있다.

In2Se3의 전기쌍극자 아래쪽 방향에 의해 CrGeT3내 강자성 정렬이 예상됨과 동시에 In2Se3내 0.01 정도 크기의 스핀 모멘트가 유도됨을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 전기자극에 의한 스핀전달 소자로의 응용성이 기대된다.

3.기대효과

기존 다강체 원리는 공유결합 등에 의한 강한상호작용으로 요약될 수 있다. 페로프스카이트 ABO3 (A=Bi, B=Fe) 형태의 단일상인 경우 강유전성에 관련된 Bi 원자와 반강자성에 관련된 Fe-O 간의 강한 상호작용을 기반으로 한다. 또한 이종결합물질인 경우 계면에서 구조적 및 화학적 유사성에 의한 공유결합이 중요하다. 본 연구는 비공유결합 형태의 반데르발스 상호작용에 의한 이차원 다강체 가능성을 이론적으로 제시하였고, 실질적 관측을 위한 실험적 동기를 부여한 것에 의미가 크다. 실제로 관측된다면 본 연구는 이종결합 다강체에 대한 새로운 지평을 열었다고 할 수 있다. 이를 통해 스핀 기반한 논리 및 기억소자 뿐만 아니라 양자정보 분야 등 다양한 소자에 응용성이 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.스핀(Spin)

원자내의 전자는 지구가 태양주위를 공전하듯이 원자핵주위를 도는 궤도 운동과 지구가 자전을 하는 것과 같은 회전운동을 하는데, 이 때 이 회전운동을 스핀이라고 한다. 이 스핀 방향에 따라 물질의 자기적 성질이 결정된다. 전자가 서로 다른 방향으로 회전하는 것을 ‘0과 1’ 디지털 신호로 인지해 정보(데이터)를 기억하는 데 쓰는 것이 스핀전달소자이다.

2. 강유전 전이온도

일정 온도 이상이 되면 자발적인 분극현상이 일어나는 강유전성이 사라지게 되는데 이를 강유전 전이 온도라 한다. 

3. 전이 Neel 온도 (Néel temperature) / 반강자성(Antiferromagnetism)

일정온도 이하에서 단위 자성체들(스핀) 사이의 상호 작용으로 이웃하는 자성체들끼리 서로 반대 방향으로 정렬되고, 자성이 서로 상쇄되어 물질 전체적으로는 자성을 띠지 않게 되는 온도이다. 또한 이러한 현상을 반강자성이라 한다.

4.전기쌍극자 (electric dipole)

결합에 참여한 원자의 전기음성도(전자를 좋아하는 정도)에 따라 분자내에서 음전하를 띄는 곳과 양전하를 띠는 곳으로 분리되는데 이를 전기쌍극자라 한다. 전기쌍극자가 없는 분자는 무극성 분자이다.

5.반데르발스힘 및 결합 (van der Waals force)

무극성 분자에서도 전하의 순간적인 쏠림 현상에 의해 극성(음극, 양극)이 발생할 수 있는데, 그 때 발생하는 인력이나 척력을 반데르발스힘이라 하며, 이 힘으로 인한 화학결합을 반데르발스 결합이라 한다.

6.오비탈(orbital)

핵 주위에서 전자가 발견될 확률을 나타내거나, 전자가 어떤 공간을 차지하는가를 보여주는 함수이다.

7.이차원 자성체(2D magnets)

층상구조의 벌크 물질에서 단층으로 박리시켰을 때 자기정열이 관측되는 물질을 말한다. 대표적으로 관측된 물질은 반도체 계열 CrGeTe3, CrI3 등이 있고, 도체 계열 Fe2GeTe3 등이 있다. 이차원 스핀격자에서 각 스핀모멘트의 방향에 대한 에너지 선호도가 없다면 머빈-바그너(Mermin-Wagner) 이론에 의해 0 K(-273.15℃ )이상에서 자기정렬이 형성될 수 없다.

8.자기결정이등방 에너지 (Magnetocrystalline Anisotropy Energy)

결정축에 대하여 스핀모멘트의 방향이 달라짐에 따라 에너지가 변하는 척도를 나타냄. 이차원 구조의 결정이등방성 특성 때문에 스핀의 선호방향이 축방향 혹은 면방향이냐에 총에너지의 차이가 존재한다. 스핀의 선호방향이 축방향인 경우 에너지 안정화에 기인된 자기정렬이 생기지만, 면방향이면 엔트로피 기여가 커져 상자성상태로 남아있을 가능성이 커진다.