기존 반도체 소자는 크기 축소가 꾸준히 이뤄지면서 성능 지표의 한계에 도달했고, 현존 기술을 대체할 수 있는 신기술 혹은 차세대 메모리로서 스핀트로닉 소자에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 우수한 스핀-전하 변환 효율을 가지고 있는 위상 물질은 고성능 자기저항메모리(MRAM) 소자 개발에 중요한 역할을 할 수 있는 잠재력을 가지고 있어 최근 많은 주목을 받아 왔다.

위상 물질 중 비스무트 안티몬 합금(Bi1-xSbx)은 조성에 따라 위상 절연체부터 위상 반금속까지 다양한 상이 발현되며, 뛰어난 스핀-전하 상호 변환이 가능하다. 이에 기반해, 본 연구팀은 선행 연구를 통해 Bi1-xSbx와 강자성체인 코발트(Co)의 이종 접합 구조에서 강력한 테라헤르츠파가 발생한다는 것을 확인했고, 이를 더욱 확장해 비스무트, 안티모니, 플래티넘 등 다양한 중금속을 이용해 Bi1-xSbx와 강자성체의 계면을 제어해 스핀-전하 변환 현상의 향상 가능성을 체계적으로 조사했다.

그 결과, Bi1-xSbx와 강자성체 사이의 계면을 비스무트를 통해 제어할 경우, 지금까지 보고됐던 것보다 월등하게 큰 테라헤르츠파의 발광성을 확인했고, 이를 통해 기존 보고된 강자성체와 Bi1-xSbx 이종 접합 구조보다 약 171% 향상된 스핀-전하 변환이 발생됨을 확인했다.

또한 연세대 조만호 교수팀은 관련 연구에서 측정되는 테라헤르츠 발광 신호 중 순수한 스핀-전하 변환에 의한 신호만을 분리해 내는 정교한 방법을 고안해 냈을 뿐 아니라, 스핀-전하 변환의 향상을 야기하는 근본 원인인 계면 특성을 체계적으로 분석하는 방법론을 함께 제시했다.

이를 통해 강자성체와 비스무트, Bi1-xSbx의 3층 접합 구조에서 현존하는 STE보다 훨씬 큰 스핀트로닉 테라헤르츠파를 관측하고 스핀전류에서 전기전류로 변환되는 관계를 통해 그 원인을 엄밀하게 규명함으로써, 차세대 스핀트로닉 소자에 적용 가능한 새로운 구조를 확보하는 데 성공했다.

연세대 조만호 교수는 “본 연구는 압도적인 스핀-전하 변환 효율을 가지는 소재 및 구조를 확보한 것과 동시에 위상 절연체를 이용한 스핀-전하 변화 효율 향상의 핵심 요소인 계면 제어 원인을 규명함으로써, 앞으로의 스핀트로닉스 연구 방향을 제시했다”고 연구의 의의를 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지능형반도체선도기술개발사업 및 선도연구센터지원사업(SRC)과 한국전자통신연구원의 지원을 받아 수행됐으며, 연세대 물리학과 노승원 학생이 제1저자로, 연세대 물리학과 조만호 교수가 제1교신저자로, 고등광기술연구소(APRI) 강철 박사가 제2교신저자로 참여했다. 연구 결과는 물리 및 재료과학 분야의 권위 있는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 19.924)’에 5월 12일 온라인 게재됐다.

논문제목: Exceptional Spin-to-Charge Conversion in Selective Band Topology of Bi/Bi1-xSbx with Spintronic Singularity

논문주소: https://doi.org/10.1002/adfm.202300175