부경대 홍지상 교수팀, MnO 얼터마그넷, 차세대 반도체 소재 가능성 제시

▲전기적 분극의 방향변화와 크기 // (a) Mn 원자의 위치변화에 따른 자발적인 전기적 분극의 방향변화 (b) 원자의 위치변화에 그에 따른 자발적인 전기적 분극의 부호변화와 그 크기. 기존에 페로프스카이트 물질에서 구현되는 전기적 분극값과 비교항 2 배이상 큰 값을 보이고 있다.

국내 연구진이 차세대 반도체 소재 개발에 중요한 돌파구를 마련했다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 국립부경대학교 홍지상 교수 연구팀이 얼터마그넷 특성을 지닌 산화망간(MnO)의 강유전 특성을 이론적으로 규명하며, 스핀트로닉스 소자로의 활용 가능성을 제시했다고 17일 밝혔다.

얼터마그넷은 기존 반강자성 물질과 달리 운동량 공간 일부에서 전자 스핀분극 밴드가 갈라지는 특성을 가지며, 스핀트로닉스 소자로서의 응용 가능성이 주목받고 있다. 하지만 얼터마그넷의 강유전 특성은 아직 밝혀지지 않은 상태였다.

연구팀은 제일원리 계산을 통해 MnO 물질의 자기적·전기적 특성을 분석했다. 그 결과, MnO가 기존 페로프스카이트 기반 물질보다 높은 전기적 분극과 낮은 스위칭 에너지 값을 가지며, 강유전체 현상이 구현 가능함을 발견했다.

홍지상 교수는 “MnO가 강유전, 스핀트로닉스, 압전 특성을 상온에서 구현할 수 있는 고효율 다기능 자성체 물질로 활용될 가능성을 확인했다"고 설명했다.

MnO는 망간과 산소로 구성된 물질로, 연구팀은 이 물질이 페로프스카이트 기반 강유전체보다 더욱 우수한 특성을 지니고 있음을 밝혔다. 특히 MnO는 높은 전기적 분극과 낮은 에너지 소모로 강유전체 소자에 적합한 특성을 보였다.

▲교신저자 홍지상 교수(왼쪽), 제1저자 자말 베젤가

홍 교수는 “이번 연구는 얼터마그넷의 다기능 소자로서의 가능성을 이론적으로 입증한 중요한 성과"라며 “향후 실질적인 소자 합성과 성능 테스트로 이어져 관련 연구 활성화에 기여할 것"이라고 강조했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 중견연구 사업의 지원으로 수행되었으며, 물리학 분야 국제학술지 머티어리얼스 호라이즌(Materials Horizons) 1월 10일자에 게재됐다.

※ 논문정보

- 논문명: Coexistence of altermagnetism and robust ferroelectricity in bulk MnO wurtzite structure

- 저널명: Materials Horizons

- 키워드: altermagnet(얼터마그넷), ferroelectricity(강유전), antiferromagnet(반강자성), energy barrier (에너지 장벽)

- 저 자: 홍지상 교수(교신저자/국립부경대), 자말 베젤가(Dajmel Bezzerga) 박사(제1저자/국립부경대

송기우 기자 kwsong@ekn.kr