초록 ▼

본 과제의 최종목표는 탄소기반 유기물 또는 저차원 소재에서의 전자 스핀 수송 및 제어에 있다. 이를 위해 non-local 측정에 기반을 둔 새로운 구조의 개발과 소자 제작 및 분석을 통해 최근 많은 관심을 받고 있는 유기물 또는 저차원 소재의 스핀트로닉스 응용 연구의 기반이 될 연구이다. 스핀홀과 역스핀홀 효과에 의한 non-local 측정을 응용하여 순수 스핀 전류 생성 및, 탐침 과 스핀 동력학 연구에 새로운 기법의 도입과 스핀홀 및 스핀수송 현상 검증을 다양한 소재에서 증명하였고 그에 따른 스핀이완 매커니즘을 규명하였다. 이

본 과제의 최종목표는 탄소기반 유기물 또는 저차원 소재에서의 전자 스핀 수송 및 제어에 있다. 이를 위해 non-local 측정에 기반을 둔 새로운 구조의 개발과 소자 제작 및 분석을 통해 최근 많은 관심을 받고 있는 유기물 또는 저차원 소재의 스핀트로닉스 응용 연구의 기반이 될 연구이다. 스핀홀과 역스핀홀 효과에 의한 non-local 측정을 응용하여 순수 스핀 전류 생성 및, 탐침 과 스핀 동력학 연구에 새로운 기법의 도입과 스핀홀 및 스핀수송 현상 검증을 다양한 소재에서 증명하였고 그에 따른 스핀이완 매커니즘을 규명하였다. 이러한 새로운 소자구조에서의 외부 자장에 따른 스핀 세차운동에 대한 증명과 스핀 궤도 결합에너지 제어등의 연구는 기존의 저차원소재 스핀트로닉스 연구 및 응용을 확대하는데 있어서 필수적인 연구결과가 될 것이며 저차원 소재의 전자 소자 관련분야에 중요한 학문적ㆍ기술적인 기여를 하고자 한다.

1. 4-terminal non-local 유기 스핀트로닉스 소자 연구
유기물에서 수평 구조의 소자에서 non-local 스핀 확산을 확인하기 위해 효과적인 전자스핀 주입을 위해 UHV-CVD 공정을 바탕으로 니켈 전극 표면에 그래핀을 입히고 이로부터 형성된 다층의 그래핀이 니켈 전극표면을 공기 및 다른 불순물들로부터 확실히 막아주는 역할을 하고 니켈-그래핀-유기물 간의 이상적인 계면이 형성되는 것을 확인하였고 또한 포항 가속기 빔라인 XMCD 신험을 통해 얻은 결과이며 Ni L edge 결과로부터 산화막이 확실히 제거되고 순수한 니켈 성분만 남아 계면에서의 스핀 편향성이 매우 순도높게 나오는 것을 확인하였다. 또한, PEDOT:PSS는 유기물 전도 메커니즘인 hopping 전도를 바탕으로 저온에서 1Dimension 전도 특성과 hopping 전도 특성에 기인하는 자자저항을 증명하였다.

2. 그래핀에서의 스핀홀 효과 및 스핀 수송의 비 국부적 검출
그래핀은 우수한 전기적 성질로 인하여 스핀트로닉스 소자 응용에 많은 연구가 진행되어 왔다. 본 과제에서는 그래핀에 물리적 도핑을 이용해서 스핀궤도 상호작용을 인가시켜 스핀홀 및 역 스핀홀 효과를 활용한 비 국부적 스핀수송 검출에 대한 연구를 진행해왔다. 근접효과에 의한 스핀궤도 상호작용을 바탕으로 강자성체 없이 스핀홀 효과에 의존한 비 국부적 스핀 수송 신호를 분석하였고 비 국부적 신호가 스핀에 의한 신호인지를 구별 위해서 소자의 수평방향으로 자기장을 인가하여 스핀 세차운동을 Hanle 커브로 확인하였다. 검출된 Hanle 커브 분석을 바탕으로 물리적으로 도핑된 그래핀에서의 스핀홀각 이라 일컬어지는 전하 전류가 스핀 전류로 변화하는 효율(figure of merit)은 약 9%였고, 스핀 이완은 Elliot-Yafet (EY) 메커니즘을 따르는 것을 확인하였다. 관련 결과는 현재 Physical Review B에 투고되어 Revision 심사중이다.

3. 2차원 산화물 전도층에서의 4-terminal non-local 분석
대표적인 전도성 산화물 계면인 LaAlO₃/SrTiO₃ (LAO/STO) 계면은 구조적 반전 비대칭성으로 인하여 라쉬바 타입의 스핀 궤도 결합 현상을 야기하는데, 이 현상은 스핀 홀효과를 이용한 효과적인 스핀-전하 전환과 같이 색다른 스핀전류 생성에 용이하다. 스핀 홀 효과를 이용하여 순수한 스핀 전류를 생성하는 방법을 채택하여 non-local(비국부적) 4-terminal 수송특성 분석을 바탕으로 이 계면 전도층에서의 스핀 확산에 대한 연구를 수행하였다. 이러한 비 국부적 스핀 확산은 스핀세차운동을 보여주는 Hanle 특성 분석으로부터 확인 하였다. 관찰된 스핀 세차 신호는 이 산화물 이종계면에서의 효과적 스핀 전하 변환 뿐 만 아니라 비 국부적인 스핀 확산을 세계적으로 최초로 명확하게 보여주는 결과이며 특히, 비 국부적인 스핀 확산에 의해 결정된 스핀홀각이 평균적으로 ~ 0.15 ± 0.05 만큼 매우 높게 나오는 것을 밝혀내었다. LAO/STO 2차원 계면은 그동안 스핀전류 수송에 많은 관심을 받았지만 아무도 스핀신호를 제대로 검출하는데 성공하지 못했기에 매우 중요한 결과이며 최근 교신저자로 Nano Letters(v.17, p.36, (2017))에 게재하였다.

4. 산화물 나노선 구조에서의 자기저항 및 스핀수송 분석
ZnO 산화물 나노선은 전이금속 도핑뿐만 아니라 native 도핑(V_O, V_Zn 등)의 농도에 의해서도 자성물성이 크게 변화므로 특히 게이트 전압 인가로 인한 저성제어에 적합한 물질이다. ZnO 나노선기반 FET의 게이트 전압 인가에 의한 자기저항 변화를 증명하였으며 이는 캐리어 농도의 변화로 localized 된 스핀간의 상호작용이 변화하면서 발생되는 것이다. 이와같이 게이트 전압인가로 스핀상호작용 제어는 향후 스핀트로닉스 소자 응용에 매우 적합하며 이 결과는 ACS Nano(v.10, p.4628 (2016)) 저널에 게재하였다.

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 6
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 19