성균관대(총장 신동렬)는 미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단(연구단장 이영희, 윤석준 연구원)이 상온 강자성반도체를 구현해 반세기에 걸친 과학 난제를 해결해 학계의 주목을 받고 있다.

이영희 단장(물리학과 교수)은 화학기상증착법을 이용해 바나듐(V)이 도핑된 단분자층 이차원 이셀레늄화텅스텐(이하 V-doped WSe2)을 합성하고 상온 이상의 큐리온도를 띄는 것을 확인했다.

묽은 자성반도체는 모태 반도체에 자성불순물을 주입한 물질 군으로, 전하와 스핀을 동시에 제어할 수 있어 초고속, 초저전력 및 초고집적도가 가능한 스핀트로닉스의 핵심 소재로 기대를 받아왔다.

하지만 반세기 동안의 연구에도 불구하고 상온 이하의 낮은 큐리온도(스핀이 강자성 정렬을 띄는 최소온도) 및 물질 내의 조성 불균일 때문에 자성반도체를 활용한 스핀트로닉스의 상용화가 어려워 해결해야 할 과학 난제로 남아 있었다.

연구팀은 초민감 자기력현미경을 활용해 단분자층 V-doped WSe2의 자기구역(magnetic domain)을 관측했으며, 온도 및 자화 방향에 따른 자기구역의 변화를 분석해 상온 이상의 큐리온도를 갖는 것을 확인했다.

또한, 투과전자현미경을 이용한 원자구조 분석을 통해 바나듐이 이셀레늄화텅스텐에 고르게 분포하는 것을 확인해 기존의 문제였던 원소조성 불균일 문제도 해결했다. 또 전자밀도를 바꿔 강자성모멘트를 제어할 수 있음을 보여줬다. 연구팀이 개발한 상온 묽은 강자성반도체는 웨이퍼크기의 합성이 가능해 빠른시일 내 상용화가 가능할 것으로 예측된다.

이영희 단장은 "과거 반세기동안 과학 난제로 알려진 상온 강자성반도체가 단분자층 수준의 얇은 물질 내에서 존재할 수 있음을 보여주어 스핀전자소자 및 양자컴퓨터 응용에 획기적 전환점을 가져올 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 어드밴스드 사이언스 (Advanced Science, IF 15.804)에 3월 11일 게재됐다.