라쉬바-에델스타인 효과로 저전력 그래핀 스핀 트랜지스터 개발을 위한 토대 마련
(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST(총장 신성철)는 물리학과 조성재 교수 연구팀이 그래핀으로 자기장, 자성체 없이 스핀 전류를 생성, 검출하는 실험에 성공해 차세대 그래핀 스핀 트랜지스터 개발의 토대를 마련했다고 18일 밝혔다.
차세대 신소재로 주목받는 그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이루어진 2차원 물질(원자만큼 얇은 물질)로서 전기전도성, 탄성, 안정성이 높아 ‘꿈의 나노 물질’이라고 불린다. 이 그래핀은 전자의 스핀 확산 거리가 길어, 전자스핀을 정보화하는 분야인 스핀트로닉스 응용에 큰 기대를 받아왔다. 하지만 그래핀은 전자의 스핀과 전자의 궤도가 상호작용하는 스핀-궤도 결합 에너지가 매우 약하다는 이유로 스핀 전류를 직접 생성하거나 검출할 수 없다는 한계가 있었다.
조성재 교수 연구팀은 그래핀에 스핀-궤도 결합이 매우 큰 전이금속이자 디칼코게나이드 물질인 2H-TaS2를 접합시켜서 그 인접효과로 그래핀의 스핀-궤도 결합을 100배 이상 증가시키는 데 성공했고 이어‘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 부르는데 이번 연구에서는 이 효과를 그래핀에서 최초로 구현했다.
리준리 박사후 연구원이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노 (ACS Nano)’ 4월 8일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Gate-Tunable Reversible Rashba−Edelstein Effect in a Few-Layer Graphene/2H-TaS2 Heterostructure at Room Temperature).
라쉬바 효과가 그래핀에 유도되면, 라쉬바-에델스타인 효과에 의해 전하 전류와 스핀 전류가 상호 전환이 가능하다. 다시 말해, 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.
조 교수 연구팀은 또 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 획기적인 연구성과로 평가받는다.
조성재 교수는“이번 연구는 그래핀 이종접합에 자기장, 자성체 없이 전기적으로만 스핀 전류를 생성, 검출, 제어할 수 있음을 보인 최초의 연구로서 전기적으로만 작동 가능한 그래핀 스핀 트랜지스터의 개발로 이어질 것”이라며“특히, 상온에서 실험이 성공했기 때문에 응용 가능성이 매우 크기 때문에 향후 우리나라 비메모리 산업뿐 아니라 세계적으로 스핀트로닉스 관련 물리학 및 산업에 응용할 수 있는 효과를 기대할 수 있어 의미가 매우 크다”고 강조했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 미래반도체 신소자원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 연구개요
- 배경
그래핀은 spin diffusion length가 수μm로 매우 길다는 장점 때문에 spintronics에 응용될 수 있는 장점이 크지만, 스핀 궤도 결합 에너지가 10μeV로 매우 작아서 스핀 전류를 생성, 검출하는 component로서는 부적절하다. 그래핀은 spin degenerate한 시스템으로서 전자의 스핀과 운동량 사이에 correlation이 없다. 하지만, 그래핀에 TMDC를 접합해주면 그래핀의 스핀 궤도 결합 에너지가 100배 이상 증가하여, 그래핀에 그림1 (아래 가운데)와 같이 Rashba 밴드가 생성되어 스핀-운동량 사이에 correlation이 생긴다.
2. 연구 내용
그림 2에서 보듯이 그래핀/TMDC 접합에 전기장을 인가하면 스핀 전류가 접합부에 축적되어 그래핀을 통해 흐르게 된다. 본 연구진의 선행 연구에서는 Co (ferromagnetic) 전극을 이용하여 이 스핀 전류를 검출했다 (그림 6 왼쪽 위 및 오른쪽 그래프). Rashba 밴드 구조를 가지는 물질을 이용하여 스핀 전류를 생성하는 것을 Direct Rashba Edelstein effect라고 부른다. 반대로, Co 전극에 전류를 흘려주면 Co 전극과 그래핀 사이에 스핀 전류가 축적되고, 그래핀을 통해서 diffuse하게 되는데, 이 스핀 전류를 그래핀/TMDC에 생성된 Rashba 밴드를 통해 검출할 수도 있다 (그림 2 왼쪽 아래 및 오른쪽 그래프). Rashba 밴드를 이용해 스핀 전류를 검출하는 효과를 Inverse Rahsba Edelstein effect라고 부른다. 본 연구진은 선행 연구를 통해 이와 같이 그래핀/TMDC 구조를 이용하여 상온에서 direct와 inverse Rashba Edelstein effect를 최초로 실험적으로 구현했다. 또한, 그래핀 Rashba band에서 spin winding 방향이 conduction band와 valence band에서 같기 때문에 게이트 전압에 따라 chemical potential의 위치를 그래핀의 conduction 혹은 valence band에 위치시킴에 따라 서로 다른 방향의 스핀 전류가 생성된다. 따라서, Dirac point를 전후하여 Rashba Edelstein effect의 signal의 부호가 반대방향으로 바뀐다 (그림 3).
3. 기대 효과
본 연구의 성공으로 그래핀이 상온에서 자기장, 자성체 없이 전기적 신호만으로 스핀전류를 생성, 제어, 검출하는데 사용될 수 있음을 보였다. 이러한 실험결과는 그래핀 스핀의 active spintronic component로서 사용될 수 있다는 것을 보여주는 것으로, 추후 상온 all-electric 그래핀 스핀 트랜지스터의 개발로 이어질 것으로 보인다. 스핀 트랜지스터는 궁극적으로 전력소모 문제를 해결하고 기존 트랜지스터를 대체하는 저전력 트랜지스터로 각광을 받고 있다. 사물인터넷의 등장으로 많은 양의 데이터를 저전력, 고속으로 처리할 수 있는 비메모리 반도체의 기술 발달이 시급히 요구되고 있는데, 본 연구는 이러한 부분에서 큰 파급효과를 지닌다.
