전자의‘유사스핀’에 의한 신개념 반도체 발견
주름진 벌집구조의 흑린에서 유사스핀 정렬 발견, 유사스핀트로닉스 개척 기대
□ 빛을 내는 신비한 물질로 처음 발견된 원자번호 15번 인(P). 인 원자로 만들어진 검은 빛깔의 신소재 흑린*에서 새로운 종류의 반도체가 발견되었다.
* 흑린(black phosphorus) : 원자번호 15번 인(P) 원자가 주름진 벌집 모양으로 배열된 물질. 성냥머리에 사용하는 적린(red phosphorus), 폭약에 사용하는 백린(white phosphorus)과 달리 매우 안정한 물질이다.
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 김근수 교수(연세대학교) 연구팀이 흑린에서‘유사스핀 반도체’를 발견했다고 밝혔다. 유사스핀 반도체는 기존 반도체에 비해 더 적은 전력 소모로 더 우수한 성능을 기대할 수 있어 이번 연구성과가 큰 의미가 있다.
□ 종전까지 반도체 기술에서는 외부 전기신호로 전자의 흐름을 제어하는 방식으로 정보를 전달하고 저장했다면,
ㅇ 흑린의 독특한 성질인 유사스핀*을 활용할 경우 외부 전기신호로 유사스핀의 방향을 제어하는 방식으로 보다 효율적인 정보처리가 가능하게 될 전망이다.
* 유사스핀 : 두 개의 부분 격자를 갖는 물질에만 나타나는 전자의 새로운 성질로, 전자의 스핀과 유사한 성질을 갖기 때문에 유사스핀이라 부른다.
□ 물질의 구성 원자가 벌집 모양으로 배열된 경우 전자의 유사스핀이란 새로운 성질이 나타나는 것은 알려져 있었으나 이 유사스핀이 정렬되어 제어할 수 있는 물질은 존재하지 않았다.
□ 연구팀은 물질의 벌집구조에 특정 방향으로 주름이 생길 경우 유사스핀이 그 방향으로 정렬된다는 사실을 발견하였다.
ㅇ 이에 주름진 벌집구조를 갖는 흑린에서 유사스핀의 방향을 측정한 결과, 95% 이상 한 방향으로 정렬되어 있음을 확인한 것이다.
ㅇ 이 과정에 물질 속 전자의 유사스핀 방향을 측정할 수 있는 실험 기법을 직접 고안, 사용했다.
□ 특히 이 같은 정렬현상은 고온까지 안정적이고, 흑린의 두께와 무관하게 나타나기에 더욱 활용성이 높다는 설명이다.
ㅇ 연구팀은 유사스핀 반도체의 상용화를 위한 후속 연구로 유사스핀 반도체를 이용하여 유사스핀 거대자기저항효과* 발견에 도전할 계획이라고 밝혔다.
* 거대자기저항효과 : 전자의 스핀 정렬방향에 따라 높은 자기저항비가 나타나는 현상으로 하드디스크 등에 활용된다. 2007년 노벨물리학상이 수여되었다.
□ 김근수 교수는 “유사스핀 반도체는 자성 반도체의 유사스핀 버전”이라며, “자성반도체의 발견이 스핀트로닉스 분야를 개척한 사례에 비춰 볼 때 유사스핀 반도체의 발견은 ‘유사스핀트로닉스’라는 차세대 반도체 연구의 신생 분야로 이어질 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.
ㅇ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구, 선도연구센터, 해외대형연구시설활용지원)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 네이처 머티리얼스지(Nature Materials)에 2월 4일 게재되었다.
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