카이스트, 전기로 작동 '그래핀 스핀 트랜지스터' 원천기술 개발

전기로만 스핀 전류 생성ㆍ검출ㆍ제어 가능성 확인한 세계 최초 연구

▲(왼쪽부터)조성재 교수, 리준리 박사후 연구원 (카이스트 제공)

▲라쉬바-에델스타인 효과 측정을 위한 소자 개략도(위), 각각의 그래핀 영역의 밴드구조(아래) (카이스트 제공)

KAIST는 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 이뤄진 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.

조 교수 연구팀은 그래핀에 스핀-궤도 결합이 매우 큰 전이금속이자 디칼코게나이드 물질인 2H-TaS2를 접합시켜 그 인접효과로 그래핀의 스핀-궤도 결합을 100배 이상 증가시킨 뒤 '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 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 4월 8일자 온라인판에 게재됐다.

▲그래핀 TMDC 접합을 통한 라쉬바-아델스타인 효과의 구현 (카이스트 제공)

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.

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

조 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 “상온에서 실험이 성공했기 때문에 응용 가능성이 매우 크고, 향후 우리나라 비메모리 산업뿐 아니라 세계적으로 스핀트로닉스 관련 물리학 및 산업에 응용할 수 있는 효과를 기대할 수 있을 것”이라고 강조했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 미래반도체 신소자원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.