‘팔라듐(Pd)’ 기반의 카이랄 페로브스카이트 신규 개발

“차세대 스핀트로닉스 소자 활용 기대”

분석과학기술대학원 박인혁 교수팀과 한양대 김영훈 교수팀이 차세대 스핀트로닉스 소자에 사용될 수 있는 ‘팔라듐(Pd) 기반’ 카이랄 페로브스카이트 신규물질을 개발했다. 

이번 연구 성과는 화학 분야 세계적인 학술지인 ‘Journal of the American Chemical Society, JACS’(IF: 15.0)에 6월 5일 게재됐으며, 6월호의 보충 표지논문(Supplementary Cover)으로 선정됐다. 이번 연구는 충남대 박인혁 교수와 한양대 김영훈 교수가 교신저자로 참여했다.

□ 논문 제목: Structural Asymmetry and Chiral-Induced Spin Selectivity in Chiral Palladium-Halide Semiconductors

‘카이랄 페로브스카이트’ 물질은 격자가 뒤틀려 있는 비대칭성에 의해 서로 다른 원편광을 선택적으로 흡수할 수 있고, 전하의 스핀의 방향을 제어할 수 있는 특성을 갖고 있어 차세대 스핀트로닉스 소재로 주목받고 있다. 

하지만 현재까지 개발된 카이랄 페로브스카이트는 결정 구조의 비대칭성에 한계가 있어 효율적으로 편광 및 스핀 편극을 조절할 수 없으며, 낮은 대기 안정성으로 인해 스핀트로닉스 소자 또는 광학 소자로 응용하기 어려웠다.

공동 연구팀은 이러한 문제들을 해결하기 위해 새로운 중심 금속인 ‘팔라듐(Pd)’ 기반의 카이랄 페로브스카이트를 합성했으며, 연구팀이 개발한 카이랄 페로브스카이트는 세계 최고 비대칭성(왜곡 지수= 0.128)과 우수한 대기/수분 안정성을 갖고 있어 차세대 스핀트로닉스 소자로의 적용 가능성을 보였다.

특히, 연구팀은 팔라듐 기반의 카이랄 페로브스카이트가 무기물-할로젠 격자인 팔라듐-브로민(Pd-Br) 격자의 사각뿔(square-pyramid) 구조 모서리를 공유해 1차원의 구조를 가짐으로써 높은 결정 비대칭성를 가진다는 특성과 합성한 소재가 통과하는 전하의 스핀 방향을 제어하는 ‘카이랄 유도 스핀 선택성(chiral-induced spin selectivity, CISS)’을 확인했다.

박인혁 교수는 “이번 연구 성과는 팔면체 또는 사면체의 금속 양이온 기하 구조에 기반을 둔 금속-단결정성 소재로의 연구 확장에 의의가 있다”며, “이번 연구가 제시한 새로운 중심 금속과 무기물-할로젠 격자 구조가 차세대 스핀트로닉스 소자 구현에 크게 이바지할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 디지털연구혁신 선도기관 육성사업, 기초연구실, 우수신진연구 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

□ 논문 링크: https://doi.org/10.1021/jacs.3c14491