유기 이온의 층간 삽입을 통한 2차원 반자성 반도체의 자성 변화 유도

Abstract

자기 층상 구조 물질은 2017년에 들어 2차원 자기 특성이 실험적으로 관측되면서 채 5년이 되지 않은 기간 동안 급속한 발전을 이루었다. 반데르발스 자성 물질을 이용하면 다양한 특성을 갖는 물질들 과의 헤테로 구조를 이루어 무한한 조합과 기능성을 갖는 소자 제작이 가능해 지고 깨끗한 계면을 기반으로 하여 3차원 물질을 뛰어넘는 특성을 보이기도 한다. 하지만 대부분의 반데르발스 자성 물질의 경우 공기 중에서 매우 불안정한데 이러한 사실은 반데르발스 자성 물질에 대한 연구에 큰 걸림돌이 된다. 본 연구에서는 유기 이온의 층간 삽입을 이용하여 공기 중에서 안정적이지만 총 자기 모멘트가 없는 반자성 물질인 MnPS$_3$를 이용하여 준강자성을 띄는 반데르발스 반도체로 만들었다. 층간 삽입 전후로 하여 자성 특성이 반자성에서 준 강자성으로 바뀌었다. 층간 삽입 후 층 사이에 위치한 유기 이온은 자발적으로 규칙적인 분포를 갖으며 재배치되고 안정적인 배치를 이룬 후에는 1년 이상 층간 삽입 형태가 유지 됨을 발견하였다. 변화한 MnPS$_3$를 이용하여 터널링 소자를 제작했고, 스핀이 정렬하기 시작하는 온도를 기점으로 터널링 저항이 변화함을 관측하였다. 이를 통해 층간 삽입으로 변화한 자성이 자성 소자로 활용될 수 있음을 보였다.