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NEW 이지은 물리학과 교수, '2차원 반도체' 제어방법 개발
- 2017-07-19
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이지은 물리학과 교수(사진)가 차세대 소재로 주목받고 있는 이황화 몰리브덴 반도체를 자체 제어할 수 있는 방법을 발견했다. 이에 기존 정보 저장 장치의 한계를 뛰어 넘는 미래 정보 기술 분야의 발전 가능성이 높아졌다는 평가다.
이지은 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)가 참여한 연구팀은 이황화 몰리브덴을 재료로 사용한 소자에서 자성을 전기적으로 제어하는 현상을 발견했다. 해당 내용은 ‘단일층 이황화 몰리브덴의 밸리 자기전기(Valley Magnetoelectricity in Single-Layer MoS2)’라는 제목으로 재료 분야 세계적 권위지인 <네이처 메터리얼스(Nature Materials)> 7월10일자에 온라인 게재됐다. 이지은 교수는 제1저자로 논문에 참여했고 미국 펜실베니아주립대학의 킨파이막(Kin Fai Mak), 지에샨(Jie Shan) 교수팀이 연구에 함께 했다.
이황화 몰리브덴은 원자 두께의 얇은 박막으로 존재할 수 있는 물질로 반도체의 특성을 가지고 있다. 작은 원자가 세 겹으로 배열되어 있어 2차원으로 존재할 수 있는 가장 얇은 반도체로 알려져 있다. 미래 소재로 부상했으나 도체의 성질을 가지고 있어 활용에 제약이 있는 그래핀과 달리 이황화 몰리브덴은 반도체의 특성을 가지고 있어 최근 산업계의 주목을 받아왔다.
이 교수 연구팀은 이황화 몰리브덴을 재료로 쓴 소자에서 물성을 자체적으로 제어할 수 있는 방법을 발견해 냈다. 원자가 주기적으로 배열된 결정 속을 움직이는 전자는 이동 방향에 따라 에너지 분포를 달리하며 밸리라는 자유도를 가지는데, 밸리 자유도를 제어함으로써 자성을 유도할 수 있음을 규명한 것. 그동안 2차원 반도체에서 밸리 자유도를 제어하는 연구는 주로 빛이나 자기장을 이용하는 방법이 주로 연구·개발 되어왔다.
이지은 교수는 “빛이나 자기장을 쓰지 않고 전기적으로 2차원 반도체의 자성을 유도하는 방법을 규명함으로써 기존의 전자소자에 접목하기가 용의해 졌다는 데 의의가 있다”며 “이번 연구를 통해 전자의 밸리 현상에 대한 이해가 보다 넓어졌기에 전자의 밸리 자유도를 전자공학 기술에 접목한 새로운 분야, 밸리트로닉스가 현실화 될 가능성이 더욱 높아졌다”고 말했다.
밸리트로닉스(valleytronics)는 밸리 전자소자를 이용한 차세대 기술을 의미한다. 이 차세대 기술이 현실화되면 기존 전자공학 기술의 한계를 뛰어넘는 신개념 정보 저장 장치의 탄생이 가능해질 전망이다. 정보 저장 장치의 집적도와 계산 속도는 높이면서 그 크기는 더 작아질 수 있게 되는 것.
이 교수는 “밸리트로닉스 이전에 전자의 스핀 자유도를 제어하는 방법이 연구·개발되며 스핀 정보 저장 분야가 눈부신 발전을 해왔다”며 “마찬가지로 밸리 자유도를 제어하는 연구에서부터 새로운 기술인 밸리트로닉스의 발전 가능성이 열릴 것”이라고 설명했다.
<왼쪽 그림은 2차원 반도체 이황화 몰리브덴의 결정구조. 오른쪽은 전자가 2차원 반도체 안에서 움직일 때(파란색 화살표) 결정구조에 의해 생성되는 수직 방향의 자성 (초록색 화살표)을 보여준다>