연세대 김관표 교수팀, 2차원 자성 물질의 적층 결함 발견

연세대학교는 물리학과 김관표 교수팀이 국제 공동 연구를 통해 2차원 자성 물질인 크롬트리요오드화물(CrI3)에서 그동안 발견되지 않았던 구조적 결함을 찾아내 2차원 자성 물질의 강자성-반강자성 특성 변화 제어 문제의 원인을 규명했다고 22일 밝혔다.

CrI3은 원자 단위 두께를 가진 2차원 자성 물질이다. 이 물질은 층이 쌓이는 방식에 따라 강자성을 보이거나 자성을 띠지 않는 반강자성을 가지며, 온도 변화에 따라 구조가 변하는 상전이 현상을 보인다. 자성 특성이 연구마다 다르게 나타나 혼란을 일으켜왔다.

김관표 교수팀은 CrI3의 초기 적층 구조인 단사정계(Monoclinic Crystal system)에 주목했다. 연구팀은 단사정계 구조에 결함이 존재하면 온도 변화에 따른 구조적 상전이와 자성 특성에 영향을 미칠 것으로 예측했다.

연구팀은 집속 이온 빔(FIB)과 투과전자현미경(TEM)이라는 첨단 장비를 사용해 CrI3의 적층 구조를 원자 수준에서 관찰했다. 이를 통해 그동안 숨겨져 있던 적층 결함을 찾아내고, 이 결함이 주로 시료를 만드는 박리 과정에서 발생한다는 사실을 밝혀냈다.

이번 연구는 스페인 발렌시아대, 영국 에든버러대, 미국 아르곤국립연구소와의 협력을 통해 진행했다. 유럽 연구팀은 고품질의 크리스털을 제공했고, 미국 연구팀은 투과전자현미경을 통해 자성 상태를 측정하는 역할을 했다. 김관표 교수팀은 투과전자현미경을 이용한 정밀한 결함 분석을 주도하며 적층 결함을 원자 수준에서 이미지 처리했다.

김 교수는 "이번 연구는 2차원 자성 물질의 구조 상전이 문제를 해결하는 데 중요한 단서를 제공했다"며 "이는 CrI3의 근본적인 특성을 이해하고 이를 활용한 차세대 자성 소자 연구에 이바지할 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 15일 온라인 게재됐다. 연세대 물리학과 박사과정 장명진 학생과 이솔 박사가 공동 제1저자로 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단과 기초과학연구원 나노의학연구단 등의 지원을 받아 진행됐다.