[안여찬/양희준 박사/박성진/박기웅 박사/박제근 교수] Twin-free 반데르발스 자성체 NiPS3 제작과 물성 연구 (Advanced Functional Materials 논문 게재)
반강자성 반데르발스 자성체 NiPS3는 자기질서와 결합된 결맞은 엑시톤(coherent exciton)을 보이는 독특한 물질로, 벌크 시료부터 원자층 두께의 시료까지 다양한 차원에서 활발히 연구되고 있다. 그러나 벌크 NiPS3에서는 서로 다른 방향의 결정 도메인이 공존하는 결정 쌍정(crystallographic twinning)으로 인해 고유한 자기 이방성이 가려져, 본질적인 물성을 규명하는 데 어려움이 있었다.
이에 본 연구팀은 결정 쌍정의 영향을 최소화한 고품질 NiPS3 단결정을 확보해, 기존 벌크 시료에서 가려져 있던 고유한 자기·열적 특성을 규명했다. 반강자성 상전이 온도 이하에서 나타나는 강한 자기 이방성을 명확히 확인했으며, 특정 결정축에 자기장을 가했을 때 약 10.5 T에서 발생하는 날카로운 스핀-플롭 전이를 자기장에 따른 자화 및 열전도도 측정에서 확인할 수 있었다.
이번 연구는 단순히 더 좋은 시료를 제작한 것을 넘어, 결정 쌍정이 반데르발스 자성체의 고유 물성에 미치는 영향을 실험적으로 보여주고 이를 극복하는 방법을 제시했다는 데 의미가 있다. 이번 성과는 향후 2차원 NiPS3 연구를 위한 정밀한 벌크 기준점을 제시함은 물론, 스핀과 열을 함께 제어하는 차세대 스핀트로닉스 소자 설계의 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.
Probing intrinsic magnetic phases in low-dimensional nearly twin-free NiPS3 single Crystals
The antiferromagnetic van der Waals magnet NiPS3 is a unique material that hosts coherent excitons coupled to magnetic order and has been extensively studied across a wide range of dimensionalities, from bulk crystals to atomically thin samples. However, in bulk NiPS3, crystallographic twinning, in which differently oriented crystal domains coexist, obscures the intrinsic magnetic anisotropy and has made it difficult to determine the material’s fundamental properties.
In this study, our research team obtained high-quality NiPS3 single crystals with substantially reduced crystallographic twinning and used them to uncover intrinsic magnetic and thermal properties that had previously been masked in bulk samples. We clearly observed strong magnetic anisotropy below the antiferromagnetic transition temperature and identified a sharp spin-flop transition at approximately 10.5 T when a magnetic field was applied along a specific crystallographic axis, as revealed by field-dependent magnetization and thermal conductivity measurements.
Beyond simply obtaining higher-quality crystals, this work experimentally demonstrates how crystallographic twinning can affect the intrinsic properties of van der Waals magnets and provides an effective approach to overcome this limitation. These findings establish a precise bulk reference for future studies of two-dimensional NiPS3 and are expected to provide a foundation for the development of next-generation spintronic devices that exploit coupled spin and heat transport.
참여 연구원: 안여찬, 양희준, 박성진, 박기웅, 조웅희, 박평제, 박제근