'다강체'는 강자성과 강유전성과 같이 한 종류 이상의 정렬을 동시에 지니는 기능성 물질을 말합니다. 다강체는 자기적 성질과 전기적 성질을 동시에 갖고 있으며 전기적 자극으로 자성변화를 유도할 수 있기 때문에 스핀 소자와 같은 차세대 기술에 많은 응용이 기대되고 있죠. 하지만 지금까지 두 성질 사이의 상호작용을 높이기 어렵다는 문제가 있었습니다.
UNIST 자연과학부의 이근식 교수팀이 미국 버클리대의 씨엔짱(Xiang Zhang) 교수팀과 공동으로 '새로운 개념의 이종(二種)다강체 구현' 가능성을 입증했다고 합니다. <Nature Communications>에 게재된 논문에 따르면 연구진은 자기성이 강한(강자성) 물질과 전기적 성질이 강한(강유전성) 물질을 화학 결합으로 단단하게 묶어 두 성질의 상관 관계를 높이는 방식을 고안했다고 하는데요. 이론적 계산으로 증명한 이 방식에서는, 반데르발스 힘에 의한 화학 결합을 이용했다고 합니다.
반데르발스 힘
반데르발스 힘은 몇 가지 원자나 분자가 지니고 있는 음전기와 양전기를 끌어당기는 매우 약한 힘을 말합니다. 이 힘으로 이루어진 결합은 반데르발스 결합이라고 하죠.
반데르발스 힘은 매우 가까운 거리에 있어야 작용할 수 있는 힘입니다. 또한 반데르발스 결합은 수소결합이나 이온결합보다 약하고 덜 특이적입니다. 하지만 분자나 원자들이 많은 수로 존재하거나 분자의 형태가 원자들 사이에 밀접한 접촉이 가능해질 때 중요한 역할을 하죠. 반데르발스 결합은 수소결합 같이 단일결합을 할 때는 매우 약한 결합에너지를 보입니다. 하지만 많은 수의 반데르발스 결합이 생기면 분자구조 내에서는 강한 힘을 보일 수 있다고 합니다.
반데르발스 힘은 테이프 등의 접착력에도 영향을 미칩니다. 도마뱀의 일종인 도마뱀붙이의 발은 발가락 하나만 있어도 천장에 매달릴 수 있으며 떨어질 때도 발가락 하나로 추락을 막을 수 있는데요. 이는 앞발에 있는 특수한 털에 반데르발스 힘이 작용해 앞발바닥을 표면에 능숙하게 확장하기 때문이라고 합니다.
어떻게 연구했는가
연구진은 반데르발스 기반 이차원 다강체 가능성을 연구하기 위해 범밀도함수에 기반한 이론계산을 수행했습니다. 강자성체로 크롬복합물(CrGeTe3), 강유전체로 인듐복합물 (In2Se3)을 선택해 최소단위의 주기적 단위셀을 구성했는데요.
반데르발스 기판 역할을 하는 In2Se3는 총 5개 원자층으로 이루어져 있고 충간 층에 있는 셀레늄(Se) 원자의 상대적 위치에 따라 전기쌍극자 방향은 위쪽 혹은 아래쪽이 가능하다고 합니다. 전기쌍극자 방향 전환에 필요한 에너지 장벽은 0.09 eV로 계산됐으며 실질적 제어에 에너지적 한계는 없을 것으로 판단됐다고 합니다.
또한 강자성 정렬 특성과 관련된 CrGeTe3는 두층 박막까지 강자성 전이가 실제로 관측되었으며 Cr 스핀의 선호방향은 면에 수직 방향이어야 함이 밝혀졌습니다. 이번 연구에는 Cr 스핀의 선호방향이 수직 방향이면 강자성 전이가 0K 이상에서 나타나고, 수평방향이면 나타나지 않는다는 물리적 이론을 활용했는데요. 연구진은 한층 CrGeT3를 In2Se3 한층 위에 반데르발스 접합을 시킨 후 Cr 스핀의 방향을 수직방향에서 수평방향으로 변경하면서 총에너지 계산을 수행했습니다.
계산 결과 In2Se3의 전기쌍극자 방향이 위쪽 또는 아래쪽이라면 Cr 스핀은 수평 또는 수직 방향이 안정적으로 작용했다고 합니다. 이는 In2Se3의 전기쌍극자 방향에 따라 CrGeTe3의 자기정렬이 강자성 혹은 상자성이 나타날 수 있음을 의미한다고 합니다.
계산 결과에 대한 물리적 해석을 위해 연구진은 원자형태 스핀-궤도 상호작용에 대한 섭동이론을 사용했다고 합니다. Cr 원자에 대한 섭동분석결과 In2Se3 전자띠의 에너지 준위는 전기쌍극자 방향에 따라 1 eV 정도 차이가 생기며 전기쌍극자 방향이 아래쪽인 경우 계면 오비탈 혼성효과로 Cr 스핀의 선호방향이 수평방향에서 수직방향으로 됨을 밝혔냈다고 합니다. 이는 계면 간격을 줄여감에 따라 Cr 스핀 이방성 에너지 크기가 증가하는 계산 결과와 일맥상통하죠. 또한 계면에 인접한 Te과 Se원자의 스핀-궤도 상호작용 효과도 중요하게 작용하고 있다고 합니다.
이를 토대로 연구진은 In2Se3의 전기쌍극자 아래쪽 방향에 의해 CrGeT3내 강자성 정렬이 예상됨과 동시에 In2Se3내 0.01정도 크기의 스핀 모멘트가 유도됨을 확인할 수 있었다고 합니다.
앞으로의 전망
이근식 교수는 "층상구조 강유전체와 강자성체를 반데르발스 힘으로 화학결합해 기존에 비해 매우 큰 값으로 자기적 성질을 변화시킬 수 있다는 걸 이론적으로 증명했다”며 “이를 실제로 구현할 경우 자성 메모리 소자 등 나노 소자 개발에 큰 파급효과를 가져올 것"이라고 밝혔습니다.
##참고자료##
- 박상대 <분자세포생물학>
- 카트린 파지크 외 <무지의 사전>
- Gong, Cheng, et al. "Multiferroicity in atomic van der Waals heterostructures." Nature communications 10.1 (2019): 2657.
