학자들은 웨이퍼 레벨 상온 2차원 강자성 재료를 성공적으로 제조했습니다.
2022-01-10 13:38
중산대학교 재료과학 및 공학과 우 슈샹 부교수가 이끄는 연구팀은 중국과학원 물리학연구소, 홍콩과학기술대학교, 싱가포르국립대학교, 항저우사범대학교와 협력하여 웨이퍼 스케일 상온 2차원 강자성체 연구에서 중요한 진전을 이루었습니다. 관련 연구 결과는 최근 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재되었습니다.
중산대학교 재료과학 및 공학과 우 슈샹 부교수가 이끄는 연구팀은 중국과학원 물리학연구소, 홍콩과학기술대학교, 싱가포르국립대학교, 항저우사범대학교와 협력하여 웨이퍼 스케일 상온 2차원 강자성체 연구에서 중요한 진전을 이루었습니다. 관련 연구 결과는 최근 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재되었습니다.
두께 한계에서 2차원 강자성체의 장거리 자기 질서를 탐구하는 것은 기초 물리학 연구를 발전시키고 낮은 에너지 소비로 자화를 조절하는 새로운 자기 및 스핀트로닉스 소자를 개발하는 데 매우 중요합니다. 3차원 시스템에서 자성은 주로 교환 상호작용의 영향을 받으며, 이는 유한 온도에서 자기 상전이를 초래합니다. 2차원 하이젠베르크 모델에서는 메르민-바그너 정리의 한계로 인해 열 변동이 2차원 강자성 장거리 자기 질서 형성을 저해합니다. 그러나 강한 자기결정 이방성은 스핀파 여기 에너지 갭을 열어 열 변동을 효과적으로 억제하고 유한 온도에서 2차원 강자성체의 출현을 촉진할 수 있습니다. 벌크 결정에서 관찰되는 상온 장거리 강자성 질서가 몇 개의 단위 셀(uc) 또는 1 uc 박막에서 유지될 수 있는지는 여전히 의문입니다. 고온에서의 열 변동은 2차원 강자성 질서를 쉽게 파괴할 수 있기 때문입니다. 두께 한계에서 강자성체의 장거리 강자성 질서를 유지하는 것은 자기 교환 결합과 관련이 있으며, 또한 자기 이방성의 강도와 밀접한 관련이 있습니다.
지금까지 보고된 2차원 강자성체는 연자성 특성과 낮은 자기 이방성을 보입니다. 또한, 이러한 2차원 강자성 재료는 모두 벌크 단결정에서 얇게 벗겨낸 얇은 시트 형태이기 때문에 두께와 크기 제어가 어려워 스핀 전자 분야에서 심층적인 연구와 실제 응용에 어려움을 겪고 있습니다. 따라서 고유 강자성, 실온 이상의 퀴리 온도, 강한 자기 이방성, 그리고 기존 마이크로 전자 소자와의 호환성을 갖춘 웨이퍼 레벨 2차원 강자성 재료의 개발이 특히 시급합니다.
이를 위해 광둥 자연과학기금 및 기타 프로젝트의 지원을 받은 Wu Shuxiang 팀은 분자 빔 에피택시를 통해 제어 가능한 단일 셀 층 수를 갖는 웨이퍼 레벨 2차원 강자성 Fe3GaTe2 박막을 성공적으로 제조했습니다. 에피택셜 성장된 Fe3GaTe2 박막은 수직 자기 이방성을 갖는 강한 강자성을 나타냅니다. 9 uc 에피택셜 박막의 퀴리 온도는 최대 420K이며, 300K에서의 수직 자기 이방성은 현재 널리 연구되고 있는 CoFeB 박막보다 몇 배 더 높습니다. 에피택셜 박막의 두께를 한계까지 줄여도 1 uc 박막의 강자성 질서는 여전히 유지되며, 퀴리 온도는 강한 수직 자기 이방성으로 인해 345K에 도달할 수 있습니다. 기계적으로 박리된 Fe3GaTe2 플레이크와 비교했을 때, 동일 두께에서 에피택셜 박막의 퀴리 온도는 60K를 초과하는데, 이는 기판에 의해 발생하는 인장 변형 효과 때문일 수 있습니다. 기본 원리 계산 결과, 에피택셜 Fe3GaTe2 박막의 강자성 향상은 응력 증가 자기 교환 결합뿐만 아니라 응력 증가 자기 이방성과도 관련이 있는 것으로 나타났습니다. 강한 자기 이방성은 열 변동을 억제하고 장거리 강자성 질서의 파괴를 방지함으로써 강자성을 안정화시킬 수 있습니다.
웨이퍼 수준의 상온 2차원 강자성 소재를 성공적으로 제조한 것은 자성 소재 과학과 같은 분야에서 중요한 획기적인 진전을 의미하며, 2차원 자석을 기반으로 하는 스핀 전자 소자 개발을 위한 견고한 소재 기반을 마련했습니다.