모태 반도체에 자성불순물을 주입하여 자석과 같은 강자성을 띄는 묽은자성반도체는 전하와 스핀을 동시에 제어 가능해, 양자컴퓨터 및 초저전력 반도체 스핀트로닉스 논리소자의 핵심 소재로 기대를 받고 있다.

최근 상온 이상의 퀴리온도*를 띄는 이차원 묽은자성반도체(바나듐이 도핑된 이차원 이셀레늄화텅스텐: 이하 V-doped WSe2)의 합성에 성공해 스핀전자소자 분야에 획기적인 전환점을 가져왔으나, 자성불순물 주입농도의 한계에 따른 낮은 자기력 및 같은 자성불순물 주입농도에서도 자성특성이 변화하는 재현성 문제가 이차원 자성반도체의 실제적인 산업응용에 큰 문제점으로 간주되어 왔다.
* 강자성체(자석)가 강자성 상태에서 상자성 상태로 변하거나 그 반대로 변하는 전이온도를 말한다. 자석같은 강자성체를 퀴리온도 이상으로 가열하면 자석으로서의 성질을 잃는다
 
성균관대학교(총장 신동렬) 에너지과학과 교수 및 미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 단장 이영희 교수 연구팀(윤석준 박사, 조병욱 연구원, Duong Dinh Loc 교수)은 이러한 문제들을 해결하기 위해 이차원 자성반도체 V-doped WSe2 내부의 셀레늄(Se) 결함의 자성특성 영향을 분석하고 이를 제어하여 자기력 및 퀴리온도의 향상을 이루었다.

연구팀은 V-doped WSe2 자성반도체의 열처리(heat-treatment)를 통해 셀레늄 결함을 발생시키고, 열처리된 샘플의 자성특성을 자기력현미경 및 자기저항 이력곡선을 통해 관측했다. 열처리 전 이차원 V-doped WSe2는 강자성 특성이 드러나지 않은 반면, 열처리 후에는 뚜렷한 자기구역과 자기저항의 이력곡선이 관측되었다. 이를 통해, 증가된 셀레늄 결함농도가 자기력 및 상온 퀴리온도와 같은 강자성 특성을 향상시키는 것을 밝혀냈다. 

아울러 열처리 온도에 비례하여 셀레늄 결함농도가 증가함을 투과전자현미경을 이용한 원자구조 분석을 통하여 확인했고, 대다수의 셀레늄 결함이 자성불순물인 바나듐과 결합하여 클러스터를 형성함을 관측했다. 바나듐 자성불순물은 셀레늄 결함과 결합하였을 때, 자기력이 5배까지 증가하였으며, 또한 바나듐의 스핀공간분포면적이 확장되어 퀴리 온도를 향상시키는 주원인임을 이론적 계산을 통하여 확인했다. 

연구팀이 밝혀낸 자성반도체내 점결함의 자성특성 영향력은 자성불순물 농도와 더불어 점결함의 농도 및 분포형태가 자성특성에 영향을 준다는 것을 입증하였고, 이를 통해 그동안 문제가 되어왔던 재현성 문제나, 불순물 주입농도한계에 따른 자기력 향상의 한계를 극복할 수 있는 방안을 제시하였다. 

이번 연구를 이끈 이영희 단장은 "자성반도체는 차세대 미래소자의 핵심물질 후보군으로 큰 잠재력이 있었지만, 재현성 및 낮은 자기력한계 때문에 현재까지 산업적으로 응용된 예가 없었다. 하지만, 본 연구를 통하여 위와 같은 난제를 극복할 방안을 제시하여 실제적인 활용에 혁신을 이끌 것으로 기대한다”라고 밝혔다. 

본 연구성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 “어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials, IF = 30.849)”에 2021년 12월 온라인 게재되었다.

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