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중국과학기술대학교 산하 "국가 싱크로트론 방사(synchrotron radiation) 실험실" 옌원썽(閆文盛, 염문성) 교수 연구팀은 쑨쯔후(孫治湖, 손치호) 연구팀은 자성(磁性, magnetic) 금속 원자에 대한 정밀 제어 가능 도핑 전략을 통해 2차원 그래핀 실온 철 자성을 실현하는데 성공함.

연구팀은 공동 도핑 N 원자 보조 하에서 Co 원자를 고정시키는 닻을 그래핀 격자 속에 고정시켜 그래핀에서 실온 본질 특징을 보유한 철 자성을 활성화시키는데 성공하였음.

그래핀은 높은 캐리어 이전 비율, 장(長) 스핀 확산 길이와 취약한 스핀 궤도 커플링 등 우수한 특성을 보유하고 있기 때문에 차세대 스핀 전자학 응용 분야에서 극히 밝은 전망을 보유하고 있는 소재로 평가를 받고 있음.

"어떻게 하면 본질 특징을 보유한 자기 저항이 가능한 그래핀 속에서 안정적인 실온 철 자성을 유도해 낼 것인가"는 그래핀 베이스 스핀 전자학 디바이스 제조가 직면한 제일 중요한 문제 중의 하나임.

현재 연구팀은 이미 여러 가지 루트를 통해 그래핀 중의 철자기 질서를 실현하려고 시도한 상황(공석 결함, sp3 기능화, 화학 도핑, 표면 흡착과 구조 변두리 상태 등을 포함)이지만 취득한 자기 모멘트는 상대적으로 비교적 취약한 동시에 불안정하며 철자기 질서는 실온에서 유지할 수 없는 것으로 나타났음.

연구팀은 기존의 2차원 전이금속인 유황 속(屬) 화합물의 자성 조절 제어 연구 경험과 DFT 소재에 대한 시뮬레이션 계산에 기반하여 정밀하고 통제 가능한 자성 전이금속(Fe, Co, Ni 등) 도핑은 관련 과제를 해결할 수 있는 효과적인 방안이 된다는 결론을 도출함.

전이금속 원자를 그래핀 결정격자에 끼워 넣는 거대한 장벽을 극복하기 위해 연구팀은 Pauling 전기 마이너스성이 C 원소(2.5)보다 높은 N 원소(3.5) 도핑을 실행함. N 원자 구조의 닻 위치 확정 점을 이용하여 Co 원자로 하여금 그래핀 결정격자 속에 단단히 묶여 있도록 하여 안정적인 국지 구역 자기 모멘트를 제공하고, Co-N-C 간의 궤도 하이브리드를 통해 철자기 교환 역할을 형성시켰으며, 최종적으로 그래핀의 실온 철 자성을 실현함.

연구팀은 2단계 침체-열분해 방법을 이용하여 N 원자 보조 하에서 Co 원자를 그래핀 결정격자 속에 단일 분산 도핑을 시키고, 샘플로 하여금 실온 하에서 포화 자기화 강도를 0.11emu g-1 수준으로, 퀴리 온도를 400K 수준으로 도달시켰음.

연구팀은 싱크로트론 방사 소프트, 하드 X-레이 스펙트럼학 기술과 다양한 X-레이 스펙트럼학 해석 방법(실제 공간 다중 산란 이론 계산, 확장 변두리 정량(定量) 적합, 다중 구성 상태 계산과 소파(小波) 변환)을 통해 샘플 중의 Co를 평면 4각형 CoN4 구조 유닛 원자 레벨로 그래핀 결정격자 속에 분산시키고, 자성이 Co와 관련된 제2 위상에서 생성된다는 가능성을 배제한 상황임.

연구팀은 DFT 전자 구조 계산을 통해 CoN4-그래핀 시스템은 금속성 에너지 밴드 구조를 보유하고, Fermi 면(面) 위치에 존재하는 밀도가 뚜렷이 강화되며(Stoner 판단 근거에 따라 실온 철 자성을 확보함), Co-3d와 C/N-2p의 궤도 하이브리드 및 π 전자스핀 극화가 존재하고, CoN4-그래핀 시스템 중의 실온 철 자성은 전자 중개 유형 RKKY 장거리 철자기 교환 메커니즘에서 기원되며, Co-N4 구조 유닛은 실온 철 자성의 주요 원천이 된다는 점을 입증한 상황임.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("Embedding atomic cobalt into graphene lattices to activate room-temperature ferromagnetism")에 게재됨.