울산대 김정대 교수팀, 자성 띠는 신개념 반도체 물질 구조 발견

울산대학교(총장 오연천)는 신소재·반도체융합학부 나노반도체공학전공 김정대 교수 연구팀이 연세대 손 알로이시우스 교수, 미국 오크리지국립연구소 박제욱 박사 연구팀과 공동으로, 기존에 자성을 띠지 않던 반도체에서 국소적인 자성이 발생하는 새로운 현상을 규명했다고 3일 밝혔다.

연구팀은 2차원 반도체 소재로 주목받는 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)에 탄탈럼(Ta)을 추가해 만든 화합물 탄탈럼-텅스텐 디셀레나이드(TaWSe2)에서 반도체의 성질을 유지하면서 동시에 국소적인 자성 특성이 나타나는 독특한 물질 구조를 발견했다. 특히 탄탈럼(Ta) 원자들이 텅스텐 디셀레나이드(WSe2) 내부에서 삼격형 형태의 군집(cluster)을 이루며 국소적인 격자 왜곡을 일으키고, 이로 인해 군집 주변에 자성이 유도된다는 사실을 밝혀냈다.

이번 연구는 김 교수팀이 자체 개발한 주사터널링현미경(STM)을 활용해 원자 단위의 정밀 분석과 전자 구조 계산을 병행함으로써 이론과 실험 양측에서 자성 발생 메커니즘을 입증한 것이다.

김 교수는 “복잡한 공정 없이 원자 조성만을 제어해 반도체와 자성을 동시에 구현할 수 있다는 점에서 과학적·기술적으로 의미가 크다”며 “자성의 기원과 특성을 더욱 정밀하게 밝히기 위한 후속 연구를 이어갈 예정”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업와 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 재료과학 분야 국제 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’(인용지수(IF): 19.0)에 게재됐다.

이남주 기자