초록 ▼

연구의 목적 및 내용
금속, 반금속, 반도체, 흑연박막(graphene) 등 다양한 물질에서 스핀 홀 효과 및 스핀-궤도 상호작용을 연구하여 스핀을 제어할 수 있는 단위 소자 모델을 제시하고 실험적으로 검증한다. 금속 박막에서 스핀 홀 효과를 전기적으로 검출하기 위한 중시적 소자 제작기술을 확립하고 수송특성 실험을 통하여 스핀 홀 효과를 연구한다. 반도체 및 흑연박막(graphene)에서 스핀 홀 효과 연구를 통하여 스핀-궤도 상호작용과 스핀 홀 효과의 상관 메카니즘을 이해한다. 새로운 복합구조에서 스핀현상을 연구한다.

연구의 목적 및 내용
금속, 반금속, 반도체, 흑연박막(graphene) 등 다양한 물질에서 스핀 홀 효과 및 스핀-궤도 상호작용을 연구하여 스핀을 제어할 수 있는 단위 소자 모델을 제시하고 실험적으로 검증한다. 금속 박막에서 스핀 홀 효과를 전기적으로 검출하기 위한 중시적 소자 제작기술을 확립하고 수송특성 실험을 통하여 스핀 홀 효과를 연구한다. 반도체 및 흑연박막(graphene)에서 스핀 홀 효과 연구를 통하여 스핀-궤도 상호작용과 스핀 홀 효과의 상관 메카니즘을 이해한다. 새로운 복합구조에서 스핀현상을 연구한다.
연구결과
다양한 물질에서 스핀-궤도 상호작용을 바탕으로 하는 물리적 현상을 연구하였다. 본 과제의 연구결과를 다음과 같이 열거한다.
● 포토리소그래피, e-beam 리소그래피, 금속 및 반금속 박막 증착 공정 확립하여 나노 소자공정 기반을 마련하였다.
● Co을 이용한 Au 박막으로의 스핀 주입 및 extrinsic 스핀 홀 효과 전기적 검출하였다.
● Bi 스핀 밸브 샘플 제작완료하고, 스핀 주입 및 스핀 세차운동 검출하였다.
● 폭이 넓은 InAs채널에서 스핀전도 메카니즘에 대한 명확한 해석으로 스핀 트랜지스터 효과를 연구하였다.
● 기판에 수직으로 정렬된 스핀을 주입하기 위한 수직자기박막을 개발하였고, 반금속 및 반도체에 스핀 주입하여 스핀트랜지스터를 제작하였다.
● 수직자기박막-그래핀 복합구조에서 홀 효과를 검출하였다.
● 강자성체-그래핀-강자성체 수직형 스핀 밸브를 제작하여 스핀 밸브 신호를 상온과 저온에서 모두 검출하였다. 그래핀을 이용한 스핀필터 최초의 개발.
● 그래핀을 간단히 도핑하는 화학적 기법을 개발하였고, 이를 이용한 에너지 갭 생성이 가능해졌다. 양자 스핀홀 효과를 관찰하기 위한 그래핀소자 제작이 가능하다.
연구결과의 활용계획
다양한 물질계에서 일어나는 스핀 홀 효과에 관한 연구는 스핀-궤도 상호작용 관련 전자학 발전에 매우 큰 기여가 예상된다. 이론적으로 예측된 여러 결과들은 실험적으로 검증되기를 기다리고 있는 상황이며, 이를 수행하는 과정에서 자연스럽게 도입되었던 실험기법은 응집물리 실험분야 발전에도 큰 기여가 예상된다. 스핀 홀 효과 소자 연구는 산업적 측면에서도 대단히 중요한 의미를 갖는다. 본 연구를 통하여 기본동작이 확인된 스핀 홀 효과 소자는 현재 널리 유행하는 금속기반 스핀밸브 소자를 대체할 수도 있을 것이다. 결국, 신개념 스핀소자의 개발로 이어져 미래 컴퓨터 로직소자로 응용되리라 예측된다. 연구 결과로서 NiFe/그래핀/NiFe 소자는 기본적 소자작동 가능성을 보였으며 기업체로의 기술이전이 가능하다. 연구수행 과정에서 개발된 나노소자 관련 제작기법, 소자특성 등은 적극적인 홍보를 통하여 향후 협력연구로 발전시키는 전략을 마련하였다.

Abstract ▼

Purpose&contents
Purpose of this project is experimental research on the spin Hall effect and the spin-orbit interaction based phenomena in various materials such as metal films, semiconductors, semimetals, and graphene. First, we perform research on the spin-orbit interaction in metals and semim

Purpose&contents
Purpose of this project is experimental research on the spin Hall effect and the spin-orbit interaction based phenomena in various materials such as metal films, semiconductors, semimetals, and graphene. First, we perform research on the spin-orbit interaction in metals and semimetals. Second, we perform the spin Hall effect and the spin-orbit interaction in semiconductors and graphene.
Result
We have studied the spin-orbit related effect in various systems. The summary of results is as follows;
● We developed nano-lithography, metal deposition processes for nanno device fabrication.
● We detected the extrinsic spin Hall effect in Au film by using electrical method.
● We performed experiments to study the spin Hall effect in semimetal bismuth (Bi).
● Spin transport in the two-dimensional electron gas with strong spineorbit interaction is examined by using a phenomenological simulation.
● Perpendicular magnetization thin film was devised and perpendicular aligned spins were injected in semiconductor and graphene.
● The Hall effect was studied in graphene-Perpendicular magnetization ferromagnetic hybrid devices.
● We reported the manifest spin valve effect from room temperature to 10 K in junctions comprising NiFe electrodes and an interlayer made of double or single layer graphene grown by chemical vapor deposition.
● We reported the modification of electronic properties of single layer chemical vapor deposition grown graphene by molecular doping (p-toluenesulfonic acid) without degrading its transparency and electrical properties.
Expected Contribution
Research on the spin Hall effect contributes to understanding the spin-orbit interaction in various condensed matters. The spin Hall effect has drawn lots of interest in theoretical field as well as experimental field. Many theoretical calculations have waited for experimental evidences. While we performed experiments on the spin Hall effect, many skills regarding device process, fabrication, and measurement were developed and will serve to development of future spintronic devices. The spin filter effect demonstrated by using graphene as an intervened layer between NiFe electrodes is perceived to retain the spin-polarized transport in vertical direction and will contribute to open new avenues for the industrial application of graphene spintronic devices.

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 14
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 16
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 23
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 25
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 26
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 27
• 8. 참고문헌 ... 28
• 9. 연구성과 ... 29
• 10. 기타사항 ... 33