묽은 자성반도체는 모태 반도체에 자성불순물을 주입한 물질군으로, 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 남아있었다.

성균관대학교(총장 신동렬)는 미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단(윤석준, Duong Dinh Loc 연구원, 연구단장 이영희)이 이런 문제를 해결하기 위해 화학기상증착법을 이용해 바나듐(V)이 도핑된 단분자층 이차원 이셀레늄화텅스텐(이하 V-doped WSe2)을 합성하고 상온 이상의 큐리온도를 띄는 것을 확인했다고 17일 밝혔다.

연구팀은 초민감 자기력현미경을 활용해 단분자층 V-doped WSe2의 자기구역(magnetic domain)을 관측했으며, 온도 및 자화 방향에 따른 자기구역의 변화를 분석해 상온 이상의 큐리온도를 가지는 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 가능하여 빠른 시일 내에 상용화가 가능할 것으로 예측된다.

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

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