비자성 그래핀에 인공적인 "자기 텍스처" 도입에 성공

버팔로 대학을 중심으로 하는 국제 연구팀이 그래핀 단층 시트상에 강자성 재료를 접촉시키는 것으로 전자 스핀의 집합체인 미세한 자화 배열 영역 '자기 텍스쳐'를 유도하는 것에 성공했다.

본래는 비자성 재료인 그래핀에 전자 스핀을 주입할 수 있는 가능성을 나타낸 것으로, 높은 전하 캐리어 이동도와 함께 전자 스핀의 제어와 전도를 활용하는 그래핀 스핀트로닉스를 발전시킬 것으로 기대된다.

연구 성과가 2021년 2월 25일자 Physical Review Letters지에 논문 공개됐다.

최근 종래의 일렉트로닉스가 전자에 의해 운반되는 전하를 이용하는 데 반해, 전자가 가진 자기적 성질인 전자 스핀을 반도체 안에서 이용하는 스핀트로닉스가 큰 주목을 끌고 있다.

스핀트로닉스에 의해 초고속 연산이 가능한 양자 컴퓨터나 저소비 전력으로 동작하는 스핀 트랜지스터 등의 디바이스를 실현하려면 다수의 전자 스핀의 방향을 맞추어 전기적으로 운반을 제어할 필요가 있다.

그러나 전자 스핀에는 스핀 완화 현상이 발생하기 때문에 스핀의 방향이 맞춰진 상태를 장시간 유지해 장거리 운반은 어렵다.

한편 그래핀은 스핀이 완화되기 어렵다는 특징이 있어 스핀트로닉스 재료로서 유망하다고 여겨지고 있지만 원래부터 비자성 재료로 어떻게 전자 스핀을 주입할 것인가 하는 과제에 대해 세계적으로 활발하게 연구가 이루어지고 있다.

일본과 중국 등의 연구자를 포함한 버팔로 대학을 중심으로 한 국제연구팀은 그래핀에 강자성 재료를 접촉시킴으로써 그래핀 속 탄소원자의 자기적 성질 변화에 대해 연구하였다.

두께 1nm 이하의 그래핀 시트 상에 두께 20nm의 강자성 코발트 박막 자석을 직접적으로 접촉하도록 배치하여 주위 전류 특성의 변화에 주목하였다.

'마치 종이의 시트 위에 벽돌을 놓은 것과 같다'라고, 연구팀을 지도하는 버팔로 대학 전기공학과 Jonathan Bird 교수는 말한다.

그 결과 그래핀에 자기 텍스처가 유발되어지고 그것이 컨택점에서 수μm 떨어진 영역의 그래핀에도 미친다고 밝혔다.

간단히 말해서 그래핀과 코발트 자석을 밀접하게 컨택시킴으로써 보통은 비자성 탄소원자가 철이나 코발트 등 강자성 원자와 같은 자성을 발휘하게 되었다.

수μm의 거리는 나노 디바이스로서는 충분히 커서 비자성 그래핀의 넓은 영역에 자기 텍스처를 인공적으로 도입할 수 있었다고 할 수 있다.

그래핀에서의 자기 텍스처 유기의 기원에 관해 불분명한 점도 있지만, 전자 스핀의 양자적 성질을 활용하는 스핀트로닉스에 의해 작은 디바이스 안에 보다 많은 데이터를 쌓을 수 있다.

그리고 자기 텍스처는 기존의 강자성체의 자기 구역 벽에 비해 극히 낮은 전류로 구동할 수 있는 것에서 반도체 양자 컴퓨터, 대용량 기억 장치 등의 능력을 비약적으로 높이는 것도 연구 팀은 기대하고 있다.

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Putting graphene in a spin

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