단결정 2차원 반도체 합성 모식도 및 실제 실험 결과(IBS 제공) © 뉴스1

IBS 나노구조물리연구단은 원자 두께 2차원 반도체를 대면적 단결정으로 합성하는데 성공했다고 18일 밝혔다.

다결정 고체의 결정들 사이에 생기는 경계 결함은 소재 특성을 저하시켜 지금까지 2차원 반도체를 단결정으로 크게 합성하기는 어려웠다.IBS 연구진이 이번에 금 표면 위의 작은 톱니 모양 표면을 이용해 2차원 반도체 소재를 단결정으로 대면적 합성하는 데 처음 성공한 것이다.

이는 단결정 합성의 핵심 원리를 밝힘으로써 2차원 소재 상용화의 초석을 놓을 것으로 기대된다.

전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenide, 이하 TMD)은 얇은 2차원의 반도체다. 한 층이 원자 3개 크기와 맞먹는 나노미터 두께를 갖는다.

실리콘과 유사한 전기적 특성을 보유하고 있어 차세대 전자소자, 광소자, 센서, 촉매 등에 쓰임새가 높다.

TMD 단결정을 만들기 위해 최근까지 많은 시도가 있었으나, 뚜렷한 성과가 보고된 바 없었다.

하지만, 연구진은 원자 수 개 크기의 톱니 모양 표면을 갖는 금 기판을 이용해 문제를 해결했다.

다양한 금 표면에서 WS₂ 클러스터 회전각도에 따른 흡착 에너지 계산결과 및 실험적으로 측정된 단결정 WS₂ 의 주사터널링현미경 이미지 (IBS 제공) © 뉴스1

연구진은 금 기판 위에서 TMD 단결정이 생김을 우연히 발견하고, 금 기판이 액체 상태에서 응고될 때 한 방향으로 정렬된 톱니 모양 표면을 가짐을 밝혀냈다.

TMD 결정 방향이 금 표면에 나란히 정렬될 때 가장 안정된 에너지를 갖는다는 것을 제시해 단결정 형성 원리를 이론적으로 규명했다.

이어 주사터널링현미경으로 톱니 표면과 TMD 결정 방향이 정렬된 것을 관찰함으로써 이 가설을 실험적으로 확인하는데 성공했다.
 
이는 연구진이 개발한 기술로 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂), 이셀레늄화텅스텐(WSe₂) 등의 단일소재는 물론 2가지 이상의 소재를 접합한 이종접합구조(heterostructure)및 화합물(alloy)도 단결정 박막 합성이 가능함을 보인 것이다.

연구진은 향후 2차원 소재들이 적층된 초격자 구조의 단결정 합성 연구를 수행할 계획이다.

한편, 이번 연구결과는 재료 분야 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스’ 10일자에 게재됐다.


km5030@news1.kr