이방성 Fe₄₋ₓGeₓN 얇은 막에서 관측된 두 성분 이상홀 및 이상넨스트 효과

초록

MgO 기판 위에 증착한 Fe₄₋ₓGeₓN(x=0–1) 얇은 막을 대상으로, 구조·자성·전기·열전 특성을 종합적으로 조사하였다. x≈0.35 이상에서 미세한 사방정계 왜곡이 발생하고, Ge 원자는 4b 자리(Fe₂) 를 선호한다. Ge 함량이 증가함에 따라 강자성 전이온도(T_C)은 750 K에서 100 K로 급감한다. x=0.8, 1.0 시에는 Hall 및 Nernst 히스테리시스가 두 개의 상반된 루프(양·음)로 구성되는 이중 성분을 보이며, 이는 (1) c축과 a축이 각각 수직·평행으로 배열된 두 결정 방향의 공존, (2) DFT가 예측한 a축·c축 자화 방향에 대한 이상홀·이상넨스트 부호 반전, (3) ab면이 쉬운 축인 자기결정학적 이방성에 기인한다. 실험적으로 최대 ANE는 x=0에서 0.9 µV/K(실온), x=1에서 –0.85 µV/K(50 K) 로 측정되었다.

상세 분석

본 연구는 Fe₄₋ₓGeₓN 계열을 MgO(001) 기판 위에 400 °C에서 동시 스퍼터링으로 성장시킨 뒤, XRD, TEM, SEM‑EDX, ⁵⁷Fe 뫼스바우어 분광, SQUID·VSM, 전기·열전 측정 등을 통해 구조·조성·자성·전도 특성을 전면적으로 규명하였다. XRD 결과, x≤0.35에서는 Pm3̅m(큐빅) 구조가 유지되지만, x>0.35부터는 a≈b≠c인 I4/mcm(사방정) 구조가 나타나며, 격자 상수 비(c_p/a_p)는 1.008~1.034 사이로 점차 증가한다. 뫼스바우어 실험과 DFT 계산을 비교한 결과, Ge 원자는 큰 4b(Fe₂) 자리로 치환되며 전자밀도가 증가해 음전하 상태를 띤다. 이는 Fe–Ge 결합이 Fe–Fe 금속 결합보다 강해 격자 수축을 유도하고, N 함량 감소와 MgO와의 격자 불일치가 사방정 전이를 촉진한다는 점을 시사한다.

자성 측면에서, Fe₄N은 T_C≈750 K의 고온 강자성을 보이나 Ge 함량이 1까지 증가하면 T_C가 100 K 수준으로 급감한다. 이는 Fe–Ge 교체가 전자 밴드 구조와 교환 상호작용을 약화시켜 스핀 분극을 감소시키기 때문이다. 또한, 자기 이방성 측정에서 ab면이 쉬운 축임을 확인했으며, 이는 사방정 구조에서 c축이 강자성 축이 아님을 의미한다.

전기·열전 전송 특성에서는 정상 Hall(ρ_xy^O)와 이상 Hall(ρ_xy^A) 모두 Ge 함량에 따라 변화한다. 특히 x=0.8, 1.0 시에는 ρ_xy^A와 Nernst 전압(V_N) 히스테리시스가 두 개의 상반된 루프(양·음)로 중첩되는 이중 성분을 보였다. DFT 기반 Berry curvature 계산에 따르면, 자화 방향이 a축일 때와 c축일 때 각각 Hall 및 Nernst 전도도가 부호가 반대가 된다. 실험적으로는 두 결정 방향이 동시에 존재함을 TEM 및 XRD의 00ℓ·h00 피크 비율(예: x=1에서는 c축이 80 %·a축이 20 %)로 확인하였다. 따라서 외부 자기장이 c축을 따라 가열될 때는 낮은 포화장(≈0.2 T)에서 포화가 이루어지고, a축 방향은 높은 포화장(≈1 T)에서 포화한다. 이 차이가 두 루프의 포화장 차이와 부호 반전으로 이어져, 전체 Hall·Nernst 신호가 두 성분의 합으로 해석될 수 있다.

ANE(Anomalous Nernst Effect) 측정에서는 x=0(Fe₄N)에서 실온에 0.9 µV/K, x=1(Fe₃GeN)에서 50 K에 –0.85 µV/K 의 절대값을 기록하였다. Fe₃GeN의 경우 저온에서 ANE가 급격히 상승하는데, 이는 T_C가 낮아 스핀 정렬이 온도에 민감해지면서 Berry curvature가 크게 변하기 때문이다. 따라서 T_C를 높이는 방법(예: 스트레인 엔지니어링, 다른 도핑)만 확보된다면 Fe₃GeN은 Fe₄N을 능가하는 ANE 물질이 될 가능성이 있다.

결론적으로, 본 논문은 (i) Ge 도핑이 Fe₄N의 구조를 사방정으로 전이시키고, Ge이 4b 자리 점유를 유도함, (ii) 두 결정 방향의 공존이 이상 Hall·Nernst 효과의 이중 성분을 초래함, (iii) 자기결정학적 이방성과 Berry curvature의 방향 의존성이 복합적으로 작용해 전송 특성이 비선형적으로 변함을 입증하였다. 이러한 이해는 Fe 기반 니트라이드의 열전·스핀트로닉스 응용, 특히 고효율 열전 센서 및 무선 전력 수집 장치 설계에 중요한 설계 지표를 제공한다.