초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
위상 물질은 전자띠의 위상에 따라 구별되는 물질로 그 성질을 연구하는 것은 새로운 물리분야를 개척해 나가는데 의미가 있다.
위상 물질 중 위상부도체는 일반부도체와 다르게 표면으로는 전류가 흐르고, 그 전류는 자성을 가지고 있지 않는 불순물에 방해를 받지 않고 흐른다. 위상부도체에 자성물질을 더하면 전자띠의 시간역전대칭을 깨뜨려 표면전류가 더 이상 흐르지 않는다.
시간을 반대로 흘려도 변하지 않는 위상과 시간을 반대로 흘리면 방향이 바뀌는 자성, 이 두 가지 서로 상반되는

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
위상 물질은 전자띠의 위상에 따라 구별되는 물질로 그 성질을 연구하는 것은 새로운 물리분야를 개척해 나가는데 의미가 있다.
위상 물질 중 위상부도체는 일반부도체와 다르게 표면으로는 전류가 흐르고, 그 전류는 자성을 가지고 있지 않는 불순물에 방해를 받지 않고 흐른다. 위상부도체에 자성물질을 더하면 전자띠의 시간역전대칭을 깨뜨려 표면전류가 더 이상 흐르지 않는다.
시간을 반대로 흘려도 변하지 않는 위상과 시간을 반대로 흘리면 방향이 바뀌는 자성, 이 두 가지 서로 상반되는 현상이 한 물체에서 나타날 때, 어떻게 그 물체 내에서 두 가지 성질들이 서로 경쟁하고 조화를 이루는지 알아보고자 한다.
육방정계 구조를 가지고 있는 자성 물체에서 여러 위상 물질들이 발견되었다. 특히 T_xSn (T=Mn, Fe, Co, Ni)는 모두 같은 원자구조를 가지고 있어, 원자구조의 변화 없이 자성물질만 변화시켜 자성이 어떻게 위상에 영향을 주는지 연구할 수 있는 좋은 시스템이다. 이 시스템에서 원자들의 자기모멘트를 바꾸어 그 변화가 물질의 위상 상태에 어떤 영향을 주는지 연구하고자 한다.

○ 전체 내용
육방정계 중 카고메 격자구조는 육각형에 연결된 삼각형구조로 삼각형 꼭지점에 위치한 자성원자의 특이한 스핀 배열과 그로인한 스핀 액화현상으로 많은 관심을 받았다. 최근에 카고메 격자구조와 관련된 물질인 FeSn, Mn3Ge, Fe3Sn2 등에서 위상상태의 물질들이 보여주는 여러 특징들이 보고되었다. 특히 Fe3Sn2와 관련된 육방정계 중 Fe5Sn3에서 위상상태 물질의 중요한 특징인 비정상 홀효과가 Fe3Sn2보다 더 크다는 것이 보고 되었다. 자성 육방정계 구조는 위상물질을 연구할 수 있는 중요한 시스템이다. 이 구조에서 시간역전대칭을 보존시키는 위상상태와 시간역전대칭을 깨트리는 자성상태가 어떻게 공존하는지 연구할 필요가 있다. 이에 Fe5Sn3에서 시작하여 장성 육방정계 구조를 체계적으로 연구하고자 한다.
T_xSn (T=Mn, Fe, Co, Ni)은 Co1.5Ge의 원자구조 (P63/mmc)를 기본구조로 하여 모두 같은 원자구조를 가진다. 따라서 다양한 자기모멘트를 가진 전이금속들을 이 기본구조에 넣는다면, 원자배열과 변화 없이 기모멘트가 전자구조의 위상에 어떤 영향을 주는지 체계적인 연구가 가능하다.
본 연구는 TxSn 단결정을 합성하여 기본적인 물리특성을 측정하는 것으로 시작한다. Binary phase diagram에서 Co1.5Sn와 Ni1.5Sn에서는 Co와 Ni 원자수가 정확히 1.5이 아니라 어느 정도 변화를 시킬 수 있다. Mn, Fe, Co, Ni 각각이 시료 전체의 자성을 크게 변화시키는 역할을 한다면 Co와 Ni은 성분변화는 시료의 자성을 정밀하게 제어할 수 있는 길을 열어준다. 따라서 T_xSn 시스템은 자성을 변화를 이용한 위상 연구에 이상적인 물질들이라고 할 수 있다.
단결정을 합성하고 기본적인 물리특성을 이해한 후에 위상을 연구하는 방법은 비정상 홀 효과를 측정하여 베리 곡률의 영향을 알아보는 방법과 주사터널현미경(STM)이나 각분해능 광전자분광 (ARPES)을 이용하여 전자띠의 위상을 직접 측정하는 방법으로 진행한다.
각 시료의 원자구조, 전자구조, 자성, 위상 상태등을 종합하여 자성과 위상 상태에 서로 어떤 관련이 있는지 연구한다. 이때 이론연구자와 협업을 진행한다.

○ ‘21년
□ 목표
T_xSn (T=Mn, Fe, Co, Ni)에서 기본적인 단결정 합성 및 물리적인 성질 확인

□ 내용
Fe_xSn 단결정 합성 및 전기전도도, 홀저항, 자성 측정

□ 연구개발성과
Mn₂Sn, Fe₅Sn₃, Co₃Sn₂, Ni₃Sn₂, 등 단결정 합성 성공
카고메 구조인 Fe₃Sn₂, FeSn, CoSn 등 단결정 합성 성공 Fe₅Sn₃에서 Fe vacancy에 따른 원자구조의 변이 확인. Orthorhombic 구조의 단결정에서 100,000 %가 넘는 magnetoresistance를 발견하고 Metal-to-Insulator transition을 확인함.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
육방구조 중에는 T_xSn 외에도 카고메 격자구조를 가지는 T3X2, T3X, 그리고 TX 등이 있다. T3X는 T3X2보다 카고메 격자구조가 있는 층이 더 가까워 층과 층 사이에 상호작용이 크다. 그리고 TX는 격자구조가 있는 층들이 T3X2와 더 멀어 2차원 물질로 볼 수 있다. T3X과 TX에서는 카고메 격자구조를 가진 층들이 다른 층들과 만드는 상호작용이 어떻게 위상에 영향을 주는지를 연구할 수 있다. 이 연구를 진행하는데 육방구조를 가진 T_xSn에 대한 연구는 참고할 수 있는 좋은 보기가 될 것이다.
비정상 홀효과를 이해하면 외부 자석이 없이 스핀을 제어할 수 있는 스핀트로닉스를 구현하여 에너지를 더 작게 소모하지만 더 빠르게 정보를 전달할 수 있다.
자성 위상물질을 쓰면 외부 자극이나 불순물에 강한 소자를 만들 수 있어 깨지기 쉬운 양자상태를 제어해야하는 양자컴퓨터 개발에 사용할 수 있다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 수행 과정 및 내용 ... 6
• 1) 단결정합성 ... 6
• 2) Fe5Sn3의 물리적 성질 연구 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 결과 ... 10
• 1) 연구수행 결과 ... 10
• 2) 목표 달성 수준 ... 12
• 3. 목표 미달 시 원인분석 ... 13
• 4. 다음 연도 연구개발계획 ... 14
• (별첨) 참고문헌 ... 15
• 끝페이지 ... 15