한국과학기술원(KAISTㆍ총장 신성철)이 꿈의 소재로 불리는 그래핀으로 자기장ㆍ자성체 없이 스핀 전류를 생성 및 검출할 수 있다는 사실을 증명했다.
KAIST는 조성재 물리학과 교수 연구팀이 그래핀을 이용해 자기장ㆍ자성체 없이 스핀 전류를 생성ㆍ검출ㆍ제어 실험에 성공, 차세대 그래핀 스핀 트랜지스터 개발 토대를 마련했다고 18일 밝혔다.
그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이루어진 2차원 물질로 전기 전도성과 탄성, 안정성이 높아 차세대 신소재로 주목받고 있다. 그래핀은 전자 스핀 전달 거리가 길어 전자 스핀을 정보화하는 스핀트로닉스 분야에서 큰 기대를 받았다. 하지만 전자 스핀과 전자 궤도가 상호작용하는 '스핀-궤도 결합 에너지'가 약해 전류를 직접 생성하거나 검출할 수 없다는 한계가 있었다.
이에 착안한 연구팀은 스핀-궤도 결합이 큰 전이 금속 디칼코게나이드(TMDC) 물질인 '2H-TaS2'를 그래핀에 접합해 그래핀의 스핀-궤도 결합을 100배 이상 증가시키는 데 성공, '라쉬바 효과'를 유도했다.
라쉬바 효과는 강한 스핀 궤도 결합으로 그래핀과 같은 2차원 물질 내부 전기장을 자기장으로 전환하는 효과를 말한다. 이를 이용해 스핀 전류를 생성 및 검출하는 효과를 '라쉬바-에델스타인 효과'라고 부른다. 이번 연구는 이 효과를 그래핀에서 세계 최초로 구현했다.
라쉬바 효과를 그래핀에 유도하면, 라쉬바-에델스타인 효과로 전하ㆍ스핀 전류 간 상호 전환이 가능해 자기장이나 자성체 없이 그래핀에 전류를 흘려 스핀 전류를 생성할 수 있다. 또 그래핀 층에 흘러 들어온 스핀 전류를 전하ㆍ전류ㆍ전압 측정으로 검출할 수 있다.
조 교수 연구팀은 트랜지스터 단자 사이 인가전압(전기 회로 단자 사이에 공급하는 전압)인 게이트 전압을 이용해 그래핀 이종 접합에 생성되는 스핀 전류 크기와 방향 제어에 성공했다. 연구팀은 이번 연구가 향후 자기장ㆍ자성체 없이 작동 가능한 '그래핀 스핀 트랜지스터' 초석을 마련한 연구 성과라고 설명했다.
조성재 교수는 "이번 연구는 그래핀 이종 접합에 자기장이나 자성체 없이 전기적으로 스핀 전류를 생성, 검출, 제어할 수 있음을 보인 최초 연구다"라고 말하며 "향후 국내 비메모리 산업뿐 아니라 스핀트로닉스 관련 물리학 및 산업에 응용할 수 있어 의미가 매우 크다"고 강조했다.
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