이차원 강자성체에서의 스핀 정렬 검출

Abstract

스핀트로닉스(spintronics)는 전자의 전하에 더불어 전자가 가지는 또 하나의 물리량인 스핀(spin)을 활용하는 것으로 더 많은 자유도(degree of freedom)를 이용하여 데이터의 저장과 전송의 효율성을 높이는 방법이다. 전자의 스핀을 활용하기 위해 강자성체를 이용하는 실험들이 진행되었다. 그래핀의 발견 이후에는 많은 이차원 물질들이 주목을 받았고 이러한 이차원 물질들을 접합하여 만든 소자로 스핀트로닉스를 실현하고자 하는 노력도 계속되었다. 이차원에서 강자성을 이용할 수 있다면 다른 이차원 물질들과 헤테로구조(heterostructure)를 만들어 자기전자소자 및 자기광학소자를 개발하는 것이 가능하다. 최근에는 CrI3, Cr2Ge2Te6, VSe2, MnSe2, Fe3GeTe2 등의 물질에서 이차원 강자성이 발견되었고 이차원 강자성체를 소자에 응용하기 위한 연구도 활발히 이루어지고 있다. 이를 위해서는 다양한 실험 조건에서 이차원 강자성 물질의 자기 특성 변화를 정확하게 분석하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 자기 원편광 이색성(magnetic circular dichroism) 측정을 통해 소수층(few-layer) Fe3GeTe2와 소수층 Fe4GeTe2의 강자성을 확인하고 자기 특성 변화를 분석하였다. 자기 원편광 이색성 이차원 스캔을 통해 스핀의 정렬을 마이크로미터(micrometer) 미만의 분해능으로 측정하였다. 퀴리온도(Curie temperature) 이하에서 외부 자기장을 인가한 경우 물질 전체 영역의 스핀이 한 방향으로 정렬되고, 외부 자기장이 없는 경우 자기 도메인(magnetic domain)이 형성되는 것을 확인했다. 퀴리온도 이상에서는 스핀의 정렬이 깨지는 현상 또한 관찰하였다. 나아가 온도 의존성 측정을 통해 물질의 퀴리온도를 측정했다. 10 nm 두께의 소수층 Fe3GeTe2의 퀴리온도는 약 200 K으로 나타났고 7층과 19층 Fe4GeTe2의 퀴리온도는 모두 약 300 K이었다. Fe4GeTe2의 경우 퀴리온도 이하에 스핀이 정렬되기 쉬운 방향이 바뀌는 스핀 재배향 온도(spin reorientation temperature)가 존재하는데 7층과 19층 Fe4GeTe2에서 각각 약 190 K과 약 160 K임을 확인했다. 이번 연구는 특히 반 데르 발스(van der Waals) 강자성 금속으로 많은 주목을 받는 Fe3GeTe2와 Fe4GeTe2의 자기 특성을 분석한 것으로 스핀트로닉스 소자로의 응용 및 이차원 강자성을 이용한 관련 연구에 많은 가능성을 제공할 것이다.