3차원의 자석을 세상에서 가장 얇게 만든 '2차원 자성 반데르발스(van der Waals)

[석수]

반데르발스 힘(van der Waals force)은 물리화학에서, 공유결합이나 이온의 전기적 상호작용이 아닌 분자간, 혹은 한 분자 내의 부분 간의 인력이나 척력을 말한다.

즉,무극성 분자에서 전자의 운동으로 순간적인 쌍극자가 형성되면 그 옆의 분자도 일시적인 편극이 일어나서 유발 쌍극자(또는 유도 쌍극자)가 생성된다.

이런 순간적인 쌍극자와 유발 쌍극자의 인력을 반데르발스 힘이라고 한다.

요하너스 디데릭 반데르발스의 이름에서 유래하였다. 규범 표기는 ‘반데르발스 방정식’이다.


3차원의 자석을 세상에서 가장 얇게 만든 '2차원 자성 반데르발스(van der Waals)



박제근 서울대학교 물리천문학부 교수

1nm(나노미터) 두께의 세상에서 가장 얇은 원자 한 층으로 된 자석 '2차원 자성 반데르발스(van der Waals)'에 대한 연구가 물리학계 최고 권위지인 '리뷰스 오브 모던 피직스(Reviews of Modern Physics, 이하 'RMP')에 게재




대표적인 2차원 평면 물질인 '그래핀(Graphene)'과 유사한 벌집 모양(Honeycomb)의 2차원 골격(framework) 구조




우리가 일상에서 만나는 자석은 부피를 가진 3차원 형태다. 원자가 여러겹 쌓여 입체적인 형태여서 만지기 쉽고 자기적 성질도 안정적이다. 이를 깎아 원자 한층 두께에 불과한 2차원 평면 상태로 만든 후에도 자석의 성질이 유지될 수 있는지는 물리학계의 오랜 난제였다.



2차원 자성은 1943년 노르웨이 물리학자 라르스 온사거(Lars Onsager)가 이론적 가능성을 제시했지만, 누구도 실제로 증명하지 못했는덕


박 교수 연구팀이 70여년이 지난 2016년에야 세계 최초로 해당 이론을 실험으로 입증했다.


박 교수는 해당 연구로 2차원 자성 반데르발스 연구 분야를 처음 개척한 선구자 지위를 얻었다. 반데르발스 물질은 정전기적 상호작용으로 발생하는 반데르발스 힘으로 결합된 고체를 말한다.


여기에 자석 성질이 더해진 것이 자성 반데르발스다.

연구팀은 삼황화린철(FePS3)을 박리해 영하 118도 이하에서 자성 원자층을 하나씩 추출하는 방식으로 2차원 자성 반데르발스 물질을 구현했다.


꿈의 신소재라고 불리는 '그래핀'과 얇은 원자 한층 구조라는 점에서는 비슷하지만, 자성이 있어 '자성 그래핀'으로 불리기도 한다.


초고속·초저전력 자기 메모리 구현 가능…조속한 상용화가 AI 반도체 주도권 '열쇠'



이번 성과는 산업적 응용 가능성까지 있다. 반데르발스 자성체 내 스핀(전자운동방향) 및 엑시톤(Exciton) 기반의 양자 현상 제어 기술은 차세대 스핀트로닉스(전기가 아닌 자성을 이용한 회전으로 정보를 이동)와 양자소자의 핵심 플랫폼이 될 것으로 기대된다.


원자층 단위의 초박막 자성체는 잘 휘는 유연 소자(Flexible Electronics)로의 확장이 용이하고, 반데르발스 이종 접합(Heterostructure)을 통한 수직 적층으로 고집적·초저전력 자기 메모리 구현이 가능하다.

특히 전력 소모와 데이터 병목 현상 해결이 AI 시대 과제로 부상한 상황에서 조속한 상용화가 미래 AI 반도체 주도권 확보로 이어질 수 있다.