MnO 얼터마그넷, 차세대 반도체 소재로서 가능성 제시

국내 연구진이 스핀트로닉스 소자 응용 가능성과 높은 전기적 분극, 낮은 스위칭 에너지 값 등 강유전 특성을 동시에 보이는 새로운 다기능 고효율 소자 연구를 통해 차세대 반도체 소재 개발의 가능성을 제시했다.

연구팀은 스핀트로닉스 기술이 반도체 전자소자의 성능을 향상시킬 수 있음을 입증하며, 고효율 강유전 소자로서 응용 가능성도 열어가고 있다.한국연구재단은 국립부경대학교 홍지상 교수 연구팀이 MnO(산화망간)의 자기적 및 전기적 특성에 대한 연구를 통해, 기존 페로프스카이트 기반 물질보다 뛰어난 강유전 특성을 보일 가능성을 제시했다고 밝혔다. 연구팀은 제일원리 계산을 통해 MnO에서 구현되는 자기적 및 전기적 특성을 분석했다. 그 결과, MnO가 강유전 현상을 구현할 수 있다는 가능성을 확인했다.

얼터마그넷은 기존의 반강자성물질과 달리, 운동량 공간에서 전자들이 가지는 스핀성분의 에너지가 일부 영역에서 갈라지는 특성을 보인다. 이는 전자구조에서 스핀분극 밴드가 구분되는 현상으로, 기존의 반강자성체 기반 스핀트로닉스 소자의 한계를 극복할 수 있는 잠재력을 내포하고 있다. 그러나 강유전 특성은 아직까지 명확히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 MnO가 기존의 페로프스카이트 기반 물질보다 더 큰 전기적 분극과 낮은 스위칭 에너지 값을 보여, 차세대 반도체 소재로의 활용 가능성을 발견했다. MnO 물질은 기존 강유전 소자보다 더 뛰어난 특성을 보일 가능성이 크며, 이를 통해 스핀트로닉스 및 강유전 특성을 동시에 활용하는 다기능 소자의 개발이 가능할 것으로 기대된다.

홍지상 교수는 "이번 연구를 통해 얼터마그넷의 가능성을 이론적으로 제시했다"며, "이론 연구를 바탕으로 실제 소자 합성 및 성능 테스트를 통해 관련 분야 연구를 활성화시킬 수 있을 것"이라고 말했다. 향후 연구팀은 MnO 물질을 이용한 스핀트로닉스, 강유전, 압전 특성 등 상온에서 구현되는 고효율 자성체 물질의 제시 및 특성에 대한 이론적 연구를 추진할 계획이다.

해당 연구는 얼터마그넷이 기존 자성체 기반 스핀트로닉스의 한계를 뛰어넘을 수 있는 가능성을 제시하며, 강유전 특성을 함께 구현할 수 있는 새로운 물질로 주목받고 있다. 또한, 다기능 소자로서의 가능성을 이론적으로 제시함으로써, 향후 실험적 연구와 함께 관련 산업에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 이공분야 중견연구 사업의 지원으로 진행됐으며, 연구 성과는 물리 분야의 국제학술지 ‘머티어리얼스 호라이즌(Materials Horizons)’에 지난 10일 게재됐다.