선택한 층에만 스핀 전류가 흐르는 그래핀 나노리본 개발
그래핀 나노리본의 선택적 반금속화, 그래핀 활용 범위를 한층 넓혀
□ 국내 연구진이 다층 그래핀 나노리본*에서 선택한 층에만 스핀** 전류가 흐르도록 유도하는 데에 성공했다. 동 성과로 그래핀 나노리본이 기존 반도체 회로의 직접도를 높이고, 차세대 메모리로 각광받고 있는 스핀트로닉스***에 활용될 수 있는 가능성을 열었다.
* 그래핀 나노리본: 탄소가 육각형 형태로 결합한 2차원 물질을 그래핀이라 부르며 그래핀을 폭이 나노미터인 리본 형태로 잘라낸 것을 그래핀 나노리본이라 함
** 스핀: 전자가 가지는 성질 중 하나로 자석의 N극, S극을 만들어내는 능력, 전자에는 두 성분의 스핀이 있으며 둘 중 하나의 상태로만 존재함
□ 스핀트로닉스는 D램보다 훨씬 많은 양의 정보를 저장할 수 있고, 정보처리와 정보저장을 동시에 할 수 있어 차세대 메모리 반도체구현을 위한 핵심 기술로 부각되고 있다.
o 이 기술은 전자의 스핀 성질을 이용하여 한 쪽 방향의 스핀만을 갖는 전류를 생성하고 검출하여 정보를 저장하고 삭제한다. 이를 구현하기 위해 반금속(half-metal) 물질을 활용한다. 그러나 현재 활용 가능한 반금속 물질들은 대부분 중금속으로 무겁고 환경과 생체에 해롭다는 문제가 있었다.
□ 연구진은 전기장을 가하면 그래핀 나노리본이 반금속이 될 수 있다는 이론에 근거하여, 다층 그래핀 구조에서도 반금속 성질을 발현시켜 스핀트로닉스에 활용화기 위한 연구에 착수했다.
□ 연구진은 슈뢰딩거 방정식을 이용해 2층 그래핀 나노리본의 물질 상태를 계산하여, 원하는 층만 반금속으로 만들어 스핀 전류가 흐르게 하는 데에 성공했다*. 아울러 특정 층만 반금속화 하는 나노리본의 너비와
* 연구진은 특정 외부전기장이 가해지면 한 층만 반금속이 되고 한 층은 절연상태를 유지하는 것을 확인했다. 외부 전기장의 방향을 바꾸면 반금속 층도 달라진다.
o 본 성과는 환경과 인체 유해성이 낮은 그래핀 소재를 활용함으로써, 화자 되는 ‘10나노미터(nm)의 벽’을 뛰어넘어 전자소자의 집적도를 비약적으로 상승시키는 데 기여할 것으로 예상한다.
□ 이철의 교수는“이번 연구결과는 구별 가능한 두 회로가 접해있는 가장 작은 형태라는 점에서 반도체 소자의 집적도를 극적으로 높일 것으로 예상되며, 향후 스핀트로닉스 분야에서 차세대 성장동력의 초석이 될 것으로 기대한다.”고 연구의의를 밝혔다.
o 고려대 이철의 교수가 주도한 이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 기초연구사업(일반연구자지원)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 네이처의 자매지로 과학분야 상위 학술지인 "Scientific Reports"에 5월 7일에 발표되었다.
(논문명: Layer-selective half-metallicity in bilayer graphene nanoribbons)