이차원 판데르발스 (van der Waals) 층상물질은 최근 광범위한 관심과 함께 미래의 유망한 전자 및 자기재료로서 각광받고 있다. 2004 년 그래핀의 발견은 그 특이한 전기적, 열적, 기계적, 그리고 광학적 특성으로 인하여 저차원물질기반 물리학이라는 분야에 일대 변혁을 불러일으켰다. 그래핀의 성공으로 학자들은 자연스럽게 반도체성을 지닌 전이금속 디칼코겐화물(TMD)과 절연성을 지닌 육방정계 질화 붕소라는 새로운 이차원 판데르발스 물질을 찾아내기에 이른다. 그 중 TMD 는 그래핀에는 존재하지 않는 밴드갭 에너지를 가지므로 이차원 물질을 기반으로 한 전자 소자와 광전자 소자에 널리 응용되고 있다. 그 후, 물리학자들은 마침내 자기적 특성을 지닌 이차원 판데르발스 물질을 발견하였다. 이러한 물질군은 외부에서 인가된 자기장의 방향에 대하여 전자의 스핀이 정렬됨에 따라 강자성, 반강자성 등을 보이는데 이를 이차원 자성체라 칭한다. 이들 판데르발스 물질의 흥미로운 특성들 중 하나는 계면에서 관찰되는 현상이다. 기존의 전통적인 삼차원 물질로는 격자부정합 때문에 이종접합구조의 물질 선정에 있어서 자유도가 떨어졌던 것이 사실이다. 반면에, 이차원 판데르발스 물질을 활용하면 계면에서 자연적으로 형성되는 판데르발스 갭에 의하여 이러한 문제가 개선되어 이종접합구조의 물질 선정과 조합이 비교적 자유롭다. 그러므로 많은 흥미로운 전기적, 그리고 자기적 특성에 대한 고찰들이 여러 종류의 이차원 판데르발스 물질을 결합함으로써 가능하였다.

본 논문에서는 적절한 이차원 물질들을 선정함으로써 이종접합구조를 구현하고 그 계면에서 일어나는 전기적, 자기적 현상에 대한 관찰과 해석을 제시한다. 첫번째로 그래핀과 n-형 이황화몰리브데늄 (MoS₂)을 활용하여 높은 전하이동도와 스위칭 성능을 동시에 지니는 전자소자를 성공적으로 구현하였다. 이러한 전기적 특성은 MoS₂ 와 게이트전압에 의한 전기적 극성 변환이 가능한 그래핀 채널의 계면에서 형성되는 쇼트키 장벽 높이를 조절함으로써 얻어지는 것을 확인하였다. 다음으로는 금속성 강자성체인 Fe₃GeTe₂ (FGT)와 바나듐 (V)에 의하여 도핑되거나 혹은 도핑되지 않은 단일층 다이셀레나이드텅스텐 (WSe₂)을 활용한 이종접합소자를 구현하여 해당 계면에서 관찰되는 자기적 특성에 대하여 고찰하였다. FGT 에서 비롯된 강자성은 FGT 단독으로 쓰일 때 보다 FGT 와 WSe₂ 를 결합하였을 때 더 높은 온도에서 그 특성인 보자력과 잔류 자기모멘트가 유지됨을 확인하였다. 그리고 이러한 접합구조의 계면에서 다양한 자기적 현상인 스핀-플롭, 스핀-플립, 그리고 역방향 자화변화가 나타남을 확인하였다. 이러한 자기적 특성들은 각 물질의 서로 다른 스핀-궤도 결합기인 인접효과에 의한 것으로 확인되었으며 이것은 바나듐의 도핑농도에 따라 조절가능한 스핀-궤도 결합의 세기가 장범위 자기질서도에 영향을 미치는 자기결정이방성을 변화시키기 때문인 것으로 확인되었다. 또한 FGT 와 바나듐으로 도핑된 WSe₂ 를 접합한 이종접합소자에서 합성형 반자성체의 거동을 구현하였는데 이는 자성 인접 효과에 기인한 것으로 확인되었다.