KAIST, 그래핀 스핀 트랜지스터 초석 기술 개발...자기장·자성체 없이 전기로만 '작동'

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한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 조성재 물리학과 교수팀이 그래핀으로 자기장이나 자성체 없이 스핀 전류를 생성, 검출하는 실험에 성공해 차세대 그래핀 스핀 트랜지스터 개발 토대를 마련했다고 18일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이루어진 2차원 물질이다. 전기전도성, 탄성, 안정성이 높아 '꿈의 나노 물질'로 불린다. 이 그래핀은 전자의 스핀 확산 거리가 길어 전자 스핀을 정보화하는 분야인 스핀트로닉스 응용에 큰 기대를 받아왔다. 하지만 전자 스핀과 궤도가 상호작용하는 스핀-궤도 결합 에너지가 매우 약해 스핀 전류를 직접 생성하거나 검출할 수 없다는 한계가 있었다.

라쉬바-에델스타인효과 측정을 위한 소자 개략도, 각각의 그래핀영역의 밴드구조.
<라쉬바-에델스타인효과 측정을 위한 소자 개략도, 각각의 그래핀영역의 밴드구조.>

연구팀은 그래핀에 스핀-궤도 결합이 매우 큰 전이금속이자 디칼코게나이드 물질인 '2H-TaS'를 접합시켜 스핀-궤도 결합을 100배 이상 증가시키는 데 성공했고, 이어서 '라쉬바 효과'를 유도하는 데 성공했다.

'라쉬바 효과'란 강한 스핀 궤도 결합으로 그래핀과 같은 2차원 물질 내부의 전기장이 자기장으로 전환되는 효과를 말한다. 이것을 이용해 스핀 전류를 생성, 검출하는 효과를 '라쉬바-에델스타인 효과'라고 부른다. 본 연구에서는 이 효과를 그래핀에서 최초로 구현했다.

라쉬바 효과가 그래핀에 유도되면, 라쉬바-에델스타인 효과에 의해 전하 전류와 스핀 전류가 상호 전환이 가능하다. 자기장이나 자성체 없이 그래핀에 전류를 흘려줌으로써 스핀 전류를 생성시킬 수 있고, 그래핀 층에 흘러들어오는 스핀 전류를 전하 전류 혹은 전압 측정을 통해 검출할 수 있다.

조성재 교수와 리준리 박사 후 연구원
<조성재 교수와 리준리 박사 후 연구원>

연구팀은 트랜지스터의 단자 사이에 인가되는 전압인 게이트 전압으로 그래핀 이종접합에 생성되는 스핀 전류의 크기와 방향을 제어하는 데 성공했다. 이는 추후 자기장, 자성체 없이 동작 가능한 그래핀 스핀 트랜지스터의 초석을 마련한 것으로 평가받는다.

조성재 교수는 “이번 연구는 전기로만 작동 가능한 그래핀 스핀 트랜지스터 개발로 이어질 것”이라며 “상온에서 실험이 성공해 응용 가능성이 매우 크며, 세계적으로 스핀트로닉스 관련 물리학 및 산업 응용에 큰 의의를 지닌다”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com