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김관표 교수팀
김관표 교수팀, 2차원 자성 물질의 적층 결함 발견 2차원 자성 물질의 구조 상전이 및 자성 제어 문제 규명, 차세대 2차원 자성 소자의 정밀 제어 기대, 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.7)’에 지난 15일 온라인 게재
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사진1. (왼쪽부터) 연세대 물리학과 김관표 교수, 장명진 박사과정생, 이솔 박사
- 사진2. 수직 적층 결함 STEM 이미지
연세대학교(총장 윤동섭) 물리학과 김관표 교수팀이 국제 공동 연구를 통해 2차원 자성 물질인 크롬트리요오드화물(CrI3)에서 그동안 발견되지 않았던 구조적 결함을 찾아내어, 2차원 자성 물질의 강자성-반강자성 특성 변화 제어 문제의 원인을 규명했다.
연구 결과는 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.7)’에 지난 15일 온라인 게재됐다.
크롬트리요오드화물은 원자 단위 두께를 가진 매우 얇은 2차원 자성 물질이다. 이 물질은 층이 쌓이는 방식에 따라 강자성을 보이거나 자성을 띄지 않는 반강자성을 가지며, 온도 변화에 따라 구조가 변하는 상전이 현상을 보인다. 그러나 이 물질의 자성 특성이 연구마다 다르게 나타나 많은 혼란을 일으켜왔다.
이러한 문제를 해결하기 위해 김관표 교수팀은 크롬트리요오드화물의 초기 적층 구조인 단사정계(Monoclinic Crystal system)에 주목했다. 연구팀은 이 단사정계 구조에 결함이 존재할 경우, 온도 변화에 따른 구조적 상전이 및 자성 특성에도 영향을 미칠 것이라고 예측했다.
연구팀은 집속 이온 빔(FIB)과 투과전자현미경(TEM)이라는 첨단 장비를 사용해 크롬트리요오드화물의 적층 구조를 원자 수준에서 관찰했다. 이를 통해 그동안 숨겨져 있던 적층 결함을 찾아내고, 이 결함이 주로 시료를 만드는 박리 과정에서 발생한다는 사실을 밝혀냈다.
이번 연구는 스페인 발렌시아대, 영국 에든버러대, 미국 아르곤국립연구소와의 협력을 통해 이루어졌다. 유럽 연구팀은 고품질의 크리스탈을 제공했고, 미국 연구팀은 투과전자현미경을 통해 자성 상태를 측정하는데 중요한 역할을 했다. 김관표 교수팀은 투과전자현미경을 이용한 정밀한 결함 분석을 주도하며, 적층 결함을 원자 수준에서 이미징했다.
연세대 김관표 교수는 "이번 연구는 2차원 자성 물질의 구조 상전이 문제를 해결하는데 중요한 단서를 제공했다.“며, ”이는 크롬트리요오드화물의 근본적인 특성을 이해하고, 이를 활용한 차세대 자성 소자 연구에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.“고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단과 기초과학연구원 나노의학연구단 등의 지원을 받아 진행되었으며, 연세대 물리학과 박사과정의 장명진 학생과 연세대 이솔 박사가 공동 제1저자로 참여했다.
논문 제목: Direct observation of twisted stacking domains in the van der Waals magnet CrI3
Researcher
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Professor KIM KWANPYO
연세대학교 이과대학 물리학
KPKIM@YONSEI.AC.KR