[이길호교수 연구실] 2차원 물질을 사용하여 스핀-궤도 토크 기반 메모리 소자 제작

caption: 스핀-궤도 토크 기반 차세대 메모리 소자의 모식도. 위상물질에 흘린 전류(노란색 화살표)를 통해 위상물질에서 발생된 스핀 전류(빨간색 화살표)가 자성 물질에 주입되고 있다.

2차원 물질을 사용하여 스핀-궤도 토크 기반 메모리 소자 제작

반도체 기반 전자 소자는 전자가 가지는 전하만을 전기장으로 제어하며 오늘날의 발전을 이루어 왔다. 그러나 소자 자체의 메모리 저장 한계, 소형화에 따른 열 방출 한계 등 물리적 한계에 직면하고 있다. 반면, 전자는 양자역학적 성질인 ‘스핀’이라는 또다른 특성을 가지고 있는데, 이를 활용해 초 저전력, 초고속, 대용량, 비 휘발성 등 차세대 메모리 소자 구현을 위한 스핀트로닉스(spintronics) 연구가 최근 활발히 진행되고 있다.

최근 주로 연구되고 있는 스핀 기반 차세대 메모리 소자는 철이나 코발트와 같은 일반적인 금속성 자성 물질에 백금이나 탄탈럼 같은 중금속 물질이 붙은 구조를 갖는다. 중금속 물질에 전류를 흘리면 스핀-궤도 결합이란 성질에 의해 스핀의 흐름인 스핀 전류(spin current)가 생기고 이것이 자성물질에 주입되면서 자성 상태를 제어하게 되는 것이다. 이런 스핀 전류 변환 효율이 높을수록 적은 전류로도 자성을 쉽게 제어할 수 있어 소모전력 및 발열량을 줄일 수 있기 때문에 높은 변환 효율을 갖는 신물질을 찾는 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존에 주로 쓰이던 백금이나 탄탈럼의 경우 그 변환 효율이 0.1 수준에 머물러 있으며, 자성 물질과 중금속 물질 사이의 계면이 고르지 못해 스핀 전류가 잘 주입되지 않는 문제점이 있어왔다.

이길호 교수 연구팀은 소재 및 소자 제작 공정의 혁신을 통해 이 한계를 돌파했다. 접착테이프를 이용한 이차원 물질 박리기법 및 건조 전사기법을 통해 이차원 자성 물질(Fe3GeTe2)위에 스핀 전류 발생 물질(WTe2)을 쌓아 원자수준으로 평평한 접합 계면을 형성했다. 이를 통해 기존 연구에서 보다 계면에서의 스핀 전류 손실을 줄일 수 있었다. 여기에 더해 스핀 전류 발생 물질로 최근에 활발히 연구가 진행되고 있는 위상물질(topological material)인 WTe2을 사용했다. 위상 물질에서는 보다 강력한 스핀-궤도 결합을 통해 높은 스핀 변환 효율이 예상되어 왔는데, 본 연구에서는 그 효율이 5 정도로 일반적인 중금속 보다 수십 배 정도 큰 것을 확인하였다. 또한 자성 물질의 자화 방향을 뒤집는데 필요한 전류도 기존 연구보다 열 배 정도 작아 보다 높은 에너지 효율을 구현했다. 본 연구를 통해 위상물질이 스핀트로닉스 응용분야에서 중요한 역할을 할 수 있다는 가능성을 보여주었다.

​