자성 반 데르 발스 물질의 강자성 기원에 관한 전자구조 특성 연구 = Probing the Ferromagnetic Transition through Band Structure in Magnetic van der Waals Materials

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Magnetism is one of the most extensively studied phenomena in condensed matter physics because it plays a central role in next-generation technologies, including spin-based information processing, high-speed and low-power memory devices, and quantum computing. For future applications, it is essential to understand both the magnetic properties of a material and the microscopic origin of its magnetism. To unveil the origin of magnetism, it is crucial to probe the electronic structure with ferromagnetic transition, which reflect a direct information on the magnetism.
In this thesis, we investigate the ferromagnetic transition through electron band structure in magnetic van der Waals materials using angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). For the Mn-intercalated 2H-TaS2, we observe the temperature-dependent band evolution, which is related to 2 × 2 folded band induced by charge density wave. Additionally, we examine monolayer 1T-CrTe₂ grown on bilayer graphene substrate and observe its ferromagnetic band evolution. Overall, this work provides the information for understanding the magnetic properties and the ferromagnetic band evolution in magnetic van der Waals materials and highlights ARPES as a powerful method for probing microscopically ferromagnetic transition.

국문 초록 (Abstract)

자성은 스핀 기반 정보 처리, 고속・저전력 메모리 소자, 양자 컴퓨팅 등 차세대 기술 개발 등에 활용될 수 있기 때문에, 현대 응집 물질 물리학에서 가장 활발히 연구되는 현상 중 하나이다. 자성의 실용적인 응용을 위해서는 자성 물질의 자기적 특성과 그 기원을 이해하는 것이 중요하다. 자화-온도 곡선, 자화-자기장 곡선 등을 측정함으로써 자성 물질의 기본적인 자기적 특성을 확인할 수 있다. 그러나, 이러한 특성으로는 자성의 미시적인 기원을 이해할 수 없다. 따라서 고체 내 자성의 기원을 이해하기 위해서 전자의 모든 전기적 및 자기적 특성 정보를 담고있는 전자구조를 측정할 필요가 있다.
본 논문은 자성 반 데르 발스 물질의 강자성의 기원을 이해하기 위해 각분해능 광전자 분광기를 이용하여 전자구조 특성을 연구하였다. 자성 물질 2H-Mn0.19TaS2와 1T-CrTe2의 강자성 전이를 온도에 따른 전자구조의 변화를 통해 관찰하였고, 전자구조의 변화로부터 자성 반 데르 발스 물질의 강자성의 기원에 대해 논의하였다. 결과적으로 본 연구는 자성 반 데르 발스 물질의 강자성 기원을 이해하는 데에 전자구조적 증거를 제시하였으며, 이는 자성에 대한 새로운 이해를 실험적으로 정립할 수 있는 중요한 기반을 제공하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 이 론 적 배 경 4
• 1. 자성에 관한 이론적 이해 4
• 1.1 자기적 특성 4
• 1.1.1 자기 모멘트 4
• 1.1.2 자기 쌍극자 6
• 1.1.3 자화 7
• 1.1.4 자기 유도/자기 선속 및 자기 투자율와 자화율/자기 감수율 7
• 1.2 자성의 종류 11
• 1.2.1 반자성 12
• 1.2.2 상자성 13
• 1.2.3 집단 자성: 강자성 16
• 1.3 요약 및 시사점 27
• 2. 전자구조 특성 연구를 통한 자성에 관한 실험적 이해 28
• 2.1 절연체/반도체 물질의 강자성 기원에 관한 전자구조 특성 연구 28
• 2.1.1 EuO 반도체에서의 Heisenberg 강자성 28
• 2.1.2 반 데르 발스 CrGeTe3 절연체에서의 강자성 32
• 2.1.3 요약 및 시사점 38
• 2.2 금속 물질의 강자성 기원에 관한 전자구조 특성 연구 39
• 2.2.1 반 데르 발스 Fe3GeTe2 금속에서의 강자성 39
• 2.2.2 요약 및 시사점 43
• 2.3 요약 및 시사점 43
• 3. 각분해능 광전자 분광기: 광전자 방출 과정에 관한 이론적 모델 44
• 3.1 광전자 방출 과정 1단계: 광전자의 들뜸 47
• 3.2 광전자 방출 과정 2단계: 광전자의 고체 내부에서 표면으로의 이동 57
• 3.3 광전자 방출 과정 3단계: 광전자가 표면에서 진공으로 투과 60
• III. 자성 원소 Mn이 삽입된 2H-TaS2의 강자성 전이에 대한 전자구조 연구 64
• 1. 서 론 64
• 2. 실험 방법 68
• 3. 실험 결과 및 논의 72
• 4. 결 론 87
• IV. 이중층 그래핀 위 단층의 1T-CrTe2의 강자성 전이에 대한 전자구조 연구 88
• 1. 서 론 88
• 2. 실험 방법 91
• 3. 실험 결과 및 논의 93
• 4. 결 론 109
• V. 참 고 문 헌 110