김관표 연세대 교수팀, 2차원 자성 물질의 적층 결함 발견

[캠퍼스人+스토리] 2차원 자성 물질의
구조 상전이 및 자성 제어 문제 규명

(왼쪽부터) 김관표 연세대 물리학과 교수, 장명진 박사과정생, 이솔 박사. /연세대

연세대학교는 김관표 김관표 교수팀이 2차원 자성 물질의 강자성-반강자성 특성 변화 제어 문제의 원인을 규명했다고 22일 밝혔다.

김 교수팀은 이번 연구를 통해 2차원 자성 물질인 크롬트리요오드화물(CrI3)에서 그동안 발견되지 않았던 구조적 결함을 찾아냈다. 연구 결과는 지난 15일 세계적인 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 온라인 게재됐다.

크롬트리요오드화물은 원자 단위 두께를 가진 매우 얇은 2차원 자성 물질이다. 이 물질은 층이 쌓이는 방식에 따라 강자성을 보이거나 자성을 띄지 않는 반강자성을 가지며, 온도 변화에 따라 구조가 변하는 상전이 현상을 보인다. 그러나 이 물질의 자성 특성이 연구마다 다르게 나타나 많은 혼란을 일으켜왔다.

이러한 문제를 해결하기 위해 김 교수팀은 크롬트리요오드화물의 초기 적층 구조인 단사정계(Monoclinic Crystal ystem)에 주목했다. 연구팀은 이 단사정계 구조에 결함이 존재할 경우, 온도 변화에 따른 구조적 상전이 및 자성 특성에도 영향을 미칠 것이라고 예측했다.

연구팀은 집속 이온 빔(FIB)과 투과전자현미경(TEM)이라는 첨단 장비를 사용해 크롬트리요오드화물의 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 진행됐다. 유럽 연구팀은 고품질의 크리스탈을 제공했고, 미국 연구팀은 투과전자현미경을 통해 자성 상태를 측정하는데 중요한 역할을 했다. 김 교수팀은 투과전자현미경을 이용한 정밀한 결함 분석을 주도하며, 적층 결함을 원자 수준에서 이미징했다.

김 교수는 "이번 연구는 2차원 자성 물질의 구조 상전이 문제를 해결하는데 중요한 단서를 제공했다"며 "이는 크롬트리요오드화물의 근본적인 특성을 이해하고, 이를 활용한 차세대 자성 소자 연구에 큰 기여를 할 것으로 기대된다"고 말했다.