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연구개요
초고속 레이저 광학을 이용하여 스핀 정렬 전류가 극초고속 (피코초) 단위로 제어가 가능한 위상절연체 기반, 테라헤르츠 스핀트로닉 소자 제작을 목표로 함. 초고속 광펄스의 시간차 주입를 이용한 시간-분해 광-유도 스핀 정렬 전류의 위상학적 조절을 통해, 위상절연체의 스핀트로닉스 연구에 있어서 해결되지 못하고 있는 불필요한 비위상학적 전류를 억제하고, 벌크와 표면의 전자이동을 유도하여 스핀 정렬도을 극대화 시킴. 이를 위해 초광대역 테라헤르츠 광파를 이용한 시간-분해 스핀 동역학 연구를 수행하고 그 동안 밝혀지지 않았던

연구개요
초고속 레이저 광학을 이용하여 스핀 정렬 전류가 극초고속 (피코초) 단위로 제어가 가능한 위상절연체 기반, 테라헤르츠 스핀트로닉 소자 제작을 목표로 함. 초고속 광펄스의 시간차 주입를 이용한 시간-분해 광-유도 스핀 정렬 전류의 위상학적 조절을 통해, 위상절연체의 스핀트로닉스 연구에 있어서 해결되지 못하고 있는 불필요한 비위상학적 전류를 억제하고, 벌크와 표면의 전자이동을 유도하여 스핀 정렬도을 극대화 시킴. 이를 위해 초광대역 테라헤르츠 광파를 이용한 시간-분해 스핀 동역학 연구를 수행하고 그 동안 밝혀지지 않았던 위상 절연체의 스핀 정렬도 초고속 변화 및 비평형 동역학의 원리를 연구하여 스핀 제어 최적조건을 확립함. 이와 같은 새로운 실험적 접근을 바탕으로, 지금까지 불가능이라 여겨졌던 100%에 가까운 높은 스핀 정렬도을 갖는 3차원 위상절연체 기반 초고속 광-제어 스핀트로닉 소자를 제작하여 초고속 스핀트로닉 소자 제작의 새로운 돌파구를 제시하고자 함.

연구 목표대비 연구결과
본 연구는 총 연구 기간동안 ‘초고속 광전류 제어’, ‘게이트 열전류 제어’, ‘테라헤르츠 제어’의 큰 세가지 핵심연구로 세분화하여 수행 됨.
첫째, 초고속 광전류 제어는 위상절연체의 벌크 전류 억제를 통해 스핀 정렬도를 극대화 시켜 스핀 특성을 측정하고 분석하는 것이 최종 목표임. 본 연구진은 연구 기간동안 마이크로미터 공간분해와 초고속 시간분해가 동시에 가능한 광전류 현미경 시스템을 구축함. 또한 이를 바탕으로 위상절연체의 벌크와 표면의 스핀 정렬도를 효과적으로 측정하고 극대화 하는데 성공하였으며, 위상절연체의 초고속 광전류 스핀 정렬 소자 및 스핀 검출기 소자로서 스핀트로닉스의 응용을 확인함.
둘째, 게이트 열전류 제어는 위상절연체의 도핑농도 조절을 통해 페르미 준위의 위치에 따른 초고속 스핀 특성 이해를 목표로 함. 연구 결과 본 연구진은 ioninc liquid를 이용한 전기적 게이트 제어법으로 위상절연체의 페르미 준위 제어 가능 소자를 제작하여, 그동안 기술적으로 힘들었던 전기적 및 두께 조절을 통한 위상절연체 게이팅 제어를 효과적으로 수행함. 이를 토대로 본 연구진은 위상절연체 벌크의 특성을 게이트 제어하여 위상절연체의 벌크와 표면의 스핀 특성을 규명하는데 성공함.
셋째, 테라헤르츠 제어는 초고속 광전류 제어만으로 알 수 없는 위상절연체 광여기 벌크 수송자와 표면의 스핀 정렬 전류의 초고속 상호작용을 분석하는 것을 목표로 함. 본 연구진은 화학적 성분비 변화에 의한 페르미 준위 변화를 유도하여 이에 따른 위상절연체의 테라헤르츠 동역학을 연구 하였으며, 위상절연체의 벌크 수송자와 표면의 스핀 정렬 전류의 상호작용 메커니즘을 규명하였음.
본 3개의 핵심연구는 연구기간동안 병렬적으로 수행되었고, 핵심 연구들의 상호보완적인 관계에 의해 100%의 목표 달성도를 이룸.

연구개발결과의 중요성
본 연구결과로부터 지금까지 수행되지 않았던 스핀 동역학 탐구를 통해 위상절연체에 대한 이해를 강화할 수 있었고, 나아가 스핀트로닉스 기반 확충을 통한 광학적, 물리학적 새로운 기술수준 향상이 기대됨. 초고속 광학 시스템은 펨토초 레이저 시스템을 활용한 물질의 동역학을 연구하기에 최적화된 실험 기반으로서 광학 펄스를 이용했을 때 광기술 향상을 도모할 수 있음. 위상절연체에서 얻어진 스핀전류는 스핀 자유도를 가진 정보를 실시간으로 전달하는 기능을 수행할 수 있어 스핀트로닉스소자로서 활용이 가능함. 본 과제를 통해 수행된 연구결과는 심도있는 광학적 및 물리학적 지식을 갖는 인력을 양성하는데 기여하였고 스핀트로닉스, 초고속 광학, 테라헤르츠 기술 및 디바이스 기술 전반 사항에 대한 연구 수준을 높이는데 기여하였음.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 연구 개요 및 최종 목표 ... 4
• 나. 연구 과제 구성 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 7
• 가. 핵심연구 1. 초고속 시간-분해 광전류 측정을 통한 위상절연체 스핀 정렬도 측정 ... 7
• 나. 핵심연구 2. 다양한 방법을 통한 위상절연체의 게이팅 및 초고속 열전류 제어 ... 10
• 다. 핵심연구 3. 테라헤르츠를 이용한 위상절연체 초고속 동역학 연구 및 제어 ... 13
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 15
• 4. 참고문헌 ... 19
• 5. 연구성과 ... 20
• 대표적 연구실적 ... 35
• 끝페이지 ... 53