나선형 자성 정렬 물질에서 거대자기전기감수율 구현

다강체는 강자성 (혹은 반강자성), 강유전성 (혹은 반강유전성), 강탄성 중, 두 가지 혹은 세 가지 성질이 같이 존재하는 물질을 의미한다. 특히, 다강성 자기전기성체 (multiferroic magnetoelectric material)는 강자성과 강유전성이 같이 존재하는 물질을 통틀어 일컫는데, 이러한 물질에서는 전기장으로 자기적 성질을 바꿀 수 있으며, 자기장으로 전기적 성질을 변화시킬 수 있다. 따라서 이 물질계의 다강성을 이용할 시 다양한 기능성 소자 (device)를 구현할 수 있을 것으로 기대되어 현재 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다.

본 연구진은 다강체 (multiferroic) 철 산화물 물질 Ba0.5Sr1.5Zn2(Fe1-xAlx)12O22 (BSZFAO)에서, 철 (Fe) 대신 들어간 알루미늄 (Al)의 양에 따라 유전 분극이 유도되는 임계자기장의 크기가 더 낮아지는 현상을 발견하였다. 특히 알루미늄을 최적화된 양 (x = 0.08)으로 넣어주게 되면 임계자기장이 거의 0이 되고, 작은 자기장 구간 내에서 유전 분극의 변화가 더 커지게 되어 거대자기전기 감수율을 구현할 수 있다. 이는 단일상 (single phase) 물질에서 거대자기전기 감수율을 구현한 세계 최초의 보고이며, 다강체 물질의 응용성을 획기적으로 개선한 결과라 할 수 있다. 본 연구진은 거시적/미시적인 물성 측정 결과를 바탕으로 나선형 자성 정렬을 갖는 BSZFAO 물질에서 비자기성 이온인 알루미늄이 자기성 이온인 철을 치환하면서 일어나는 오비탈이 주는 자기 모멘트 변화가 자기 이방성를 일으키는 주 원인 임을 제시했다. 이러한 오비탈 자기모멘트에 의한 자기 이방성의 원리는 실생활, 산업에서 많이 활용되고 있는 준강자성 성질을 가진 철 산화물계 전반에 적용될 수 있는 것으로 향후 응용 효과가 클 것으로 예상된다.

한편 본 연구 결과를 바탕으로 다강성 원천물질에 대한 국내 특허 2건, PCT 1건 출원 중에 있다. 이 연구는 주로 NRL, GPP, Basic Science Research, Seoul R&BD 사업에 의해 이루어졌으며, 고려대 정재호 교수님 (중성자 산란 실험)과 포항공대 박재훈 교수님 연구실의 연구진 (XAS 및 XMCD 실험)들이 도움을 주셨다.

위 연구 결과는 Nature Materials 지에 Research Highlight로 소개되었다.

링크: http://www.nature.com/nmat/journal/v9/n3/full/nmat2719.html