초록 ▼

본 과제의 목표는 전이금속이 도핑된 반도체에서 수소에 의한 스핀 정렬현상을 전자기적 수송현상 측정과 자기광학 측정으로 규명하고 외부의 전자기장으로 자성이 조절되는 스핀소자의 제작이다. 기존 자성반도체에서 스핀 편광 carrier를 활용한 스핀소재의 개발과는 달리, 본 연구에서는 나노스케일의 ferromagnetic short-ranged ordering을 가지는 Co-H-Co complex 구조를 활용한 상온 스핀소재 개발이 기존연구와 구별되는 특징이다. 본 과제를 통해서 실험적으로 수소매개에 의한 강자성 스핀 정렬현상을 외부의 전

본 과제의 목표는 전이금속이 도핑된 반도체에서 수소에 의한 스핀 정렬현상을 전자기적 수송현상 측정과 자기광학 측정으로 규명하고 외부의 전자기장으로 자성이 조절되는 스핀소자의 제작이다. 기존 자성반도체에서 스핀 편광 carrier를 활용한 스핀소재의 개발과는 달리, 본 연구에서는 나노스케일의 ferromagnetic short-ranged ordering을 가지는 Co-H-Co complex 구조를 활용한 상온 스핀소재 개발이 기존연구와 구별되는 특징이다. 본 과제를 통해서 실험적으로 수소매개에 의한 강자성 스핀 정렬현상을 외부의 전자기장을 사용해 조절될 수 있음을 보였으며 특히 저온뿐만 아니라 상온에서도 뚜렷한 비정상 홀효과를 측정함으로써 수소매개 강자성 스핀 ordering이 carrier 수송과 서로 coupling 되어 있는 가능성을 실험적으로 제시하였다. 또한 수소 주입된 1-2-2-1 Hall bar 구조에 SiO₂ 절연층을 이용하여 기본 FET 구조를 제작하여 외부의 gate 전압에 따라 나노 사이즈의 마그넷인 Co-H-Co의 spin dependent scattering 이 조절되는 상온스핀소재를 제작하였다. 본 연구를 통해 얻어진 연구 성과와 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. ZnCoO 박막의 Pt 금속층 증착을 통해 수소 주입 효율을 증가시켰으며, 그에 따라 전기 전도성 및 강자성 스핀 정렬 특성이 향상되는 것을 보고하였다. 또한 과량 주입된 수소가 침입형 자리에 안정적으로 존재하며 초상자성 및 p타입 전도성을 유도하는 것을 실험적으로 밝혔으며, 이를 제일 원리 계산을 통해 이론적으로 증명하였다. 이 연구를 통해 자기적 특성이 향상된 Pt 코팅된 ZnCoO가 스핀트로닉스 소자로서 높은 응용성을 가진다는 것을 제시하였다.[Appl. Phys. Lett. 100, 172409 (2012)]
2. UV-lithography를 이용하여 hall bar를 patterning하는 시스템과 reactive ion etcher (RIE) 시스템을 사용한 건식 식각 장치와 ammonium chloride 를 사용한 wet-etching 을 통한 hall bar 제작하는 기술확보 하였다. 또한 PPMS 장비의 온도와 자기장 조절시스템을 이용하여 비정상 홀전압을 안정적으로 측정할 수 있는 probe 시스템을 구축하고 Lock-in 증폭기와 function generator를 사용한 Ac hall 시스템과 nano voltmeter와 pico-amparemeter를 사용한 DC 홀 측정시스템을 구축하였다.
3. 수소가 주입될 경우 저온 5 K에서부터 300 K 영역에서 비정상 홀효과가 지속되었으며 이는 Co-dimer 사이에 위치하는 수소가 conduction band minimum 부근에 만드는 localized state 들 사이의 전자의 hopping [New Journal of Physics 심사중]
4. 수소가 주입된 박막에서 gate 전극과 절연된 안정적인 Field effect transistor 구조를 제작하는 기술을 확보하고 RIE (reactive ion etcher)와 RF-plasma, 그리고 hot isostatic pressure를 활용한 효과적인 수소주입 기술을 확보하였다.
5. 제작된 ZnCoO:H FET 구조에서 저온뿐만 고온에서도 뚜렷한 비정상 홀 이력곡선을 측정에 성공하였으며 이는 상온 스핀소재로서의 활용가능성을 뚜렷히 보여준다. 현재 gate 전압과 ZnCoO:H에서 mobile 한 interstitial hydrogen의 density를 조절하여 비정상 홀 저항과 비정상 홀전도도의 최대값을 구현중이며 상온에서의 스핀소자 사용 가능성과 응용가능성을 실험으로 증명하여 이를 국제 저널지에 투고 예정이다.