희귀 준안정상 산화철에서 결정구조와 자성 도메인의 상관관계 규명
충북대 물리학과 이현석 교수 연구팀이 라만분광법을 활용해 산화철 물질 내부의 자성 도메인을 비파괴적으로 관찰하는 데 성공했다.
이번 연구는 복잡한 자성 산화물에서 결정구조와 자성의 상관관계를 규명하고, 차세대 기능성 자성소자 개발에 새로운 분석 기술을 제시했다는 점에서 의미를 갖는다.
자성 도메인은 자석 내부에서 자성이 같은 방향으로 정렬된 작은 영역으로, 이를 이해하고 제어하는 기술은 차세대 스핀트로닉스와 자기센서, 정보저장 소자 등 미래 전자소자의 핵심 기반 기술로 꼽힌다.
그러나 산화물 자성체 내부의 도메인을 시료 손상 없이 관찰하고, 결정구조와 자성의 관계를 규명하는 것은 그동안 쉽지 않은 과제로 남아 있었다.
연구팀은 희귀한 준안정 산화철 물질인 ε-Fe₂O₃를 화학기상증착법(CVD)으로 합성한 뒤, 라만분광법을 이용해 물질 내부에 형성된 도메인 구조를 관찰했다. 라만분광법은 빛을 조사해 물질의 진동 특성을 분석하는 기술로, 시료를 손상시키지 않으면서 내부 구조 정보를 얻을 수 있는 것이 장점이다.
연구 결과, ε-Fe₂O₃ 박편에서 60도씩 회전한 결정 쌍정 구조에 의해 형성된 6방 대칭 도메인 패턴을 확인했다. 또한 이 라만 도메인 패턴이 자기광학 Kerr 효과(MOKE)로 관찰한 자성 도메인과 높은 상관성을 보인다는 사실을 밝혀내며, 결정구조와 자성 도메인이 밀접하게 연결되어 있음을 입증했다.
연구팀은 온도 변화에 따른 특성도 함께 분석했다. 그 결과 큐리 온도 부근에서 라만 도메인 대비가 약해지고 자성 보자력도 함께 감소하는 현상을 확인했다. 이는 산화철 내부의 Fe-O 결합 구조와 격자 진동, 자성 질서가 서로 긴밀하게 연관돼 있음을 보여주는 결과다.
이번 연구는 라만분광법이 단순한 구조 분석을 넘어 복잡한 자성 산화물의 자성 도메인을 추적할 수 있는 새로운 광학 분석 도구로 활용될 수 있음을 제시했다. 연구팀은 앞으로 기판과 변형률, 성장 조건 등을 제어해 자성 도메인을 설계하고, 기능성 산화물 기반 차세대 소자의 물성을 제어하는 연구로 확대해 나갈 계획이다.
이번 연구는 충북대 G-LAMP사업단 소속인 이현석 물리학과 교수와 김동현 물리학과 교수(첨단기초과학 융합연구소장), 안광휘 박사후연구원, 이재웅 아주대 G-LAMP사업단 소속 교수가 공동연구를 통해 수행됐다.
김병학 기자 kbh7798@dynews.co.kr
댓글
0