가장 얇고 넓은 반도체, 단결정으로 만든다- IBS 나노구조물리 연구단, 원자 두께 2차원 반도체를 단결정·웨이퍼 크기로 합성
보도일 2021-03-18 10:30 연구단명나노구조물리 연구단
가장 얇고 넓은 반도체, 단결정으로 만든다
- IBS 나노구조물리 연구단, 원자 두께 2차원 반도체를 단결정·웨이퍼 크기로 합성 -
보통의 결정 소재는 수많은 결정들이 합쳐진 다결정 고체다. 그런데 결정들 사이에 존재하는 경계 결함은 소재 특성 저하의 원인이 된다. 단결정 단결정(single-crystal): 전체 시료 내 원자들이 연속적·주기적으로 배열된 고체상태를 말한다. 그레인(grain)은 한 방향으로 배열된 영역을 말하는데, 전체 시료가 단 하나의 그레인이면 단결정이다. 그러나 보통의 물질은 그레인이 1012개 정도로 아주 많고 이들 간의 경계는 소재의 물리적 특성을 저하시킨다.
합성은 이러한 저하를 방지할 수 있는 중요한 기술이다. 그러나 결정 구조를 완벽하게 이어지도록 구현하는 것이 그간 기술적으로 매우 어려웠다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리 연구단 이영희 단장(성균관대 교수)과 김기강 연구위원(성균관대 부교수), 최수호 박사후연구원은 김수민 숙명여대 교수, 한영규 동국대 교수와 공동으로 2차원 반도체 소재를 단결정으로 대면적 합성하는 방법을 개발했다. 단결정 합성의 핵심 원리를 규명함으로써 장비와 기판 크기에 따라 대면적 합성이 가능해졌다. 이로써 고품질 2차원 반도체의 첨단소자 분야 응용이 기대된다.
전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenide, 이하 TMD)은 얇은 2차원의 반도체이다. 한 층이 원자 3개 크기와 맞먹는 나노미터(10-9m) 두께를 갖는다. 실리콘과 유사한 전기적 특성을 보유하고 있어 차세대 전자소자, 광소자, 센서, 촉매 등에 쓰임새가 높다. 충분히 큰 TMD 단결정을 만들기 위해 최근까지 많은 시도가 있었으나, 뚜렷한 성과가 보고된 바 없었다.
연구진은 원자 수 개 크기의 톱니 모양 표면을 갖는 금 기판을 이용하여 문제를 해결했다. 다결정 박막 결함은 결정들이 각기 다른 방향으로 성장하기 때문에 생긴다. 단결정을 만들기 위해서는 원자 수준에서 결정 성장 방향을 동일한 방향으로 정렬시켜야 한다. 연구진은 금 기판 위에서 TMD 단결정이 생김을 우연히 발견하고, 금 기판이 액체 상태에서 응고될 때 한 방향으로 정렬된 톱니 모양 표면을 가짐을 밝혔다.
또한 TMD 결정 방향이 금 표면에 나란히 정렬될 때 가장 안정한 에너지를 가짐을 제시하여, 단결정 형성 원리를 이론적으로 밝혔다. 이어 주사터널링현미경으로 톱니 표면과 TMD 결정 방향이 정렬된 것을 관찰함으로써 이 가설을 실험적으로 확인하였다.
연구진이 개발한 기술로 이황화몰리브덴(MoS2), 이황화텅스텐(WS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 등의 단일소재는 물론, 두 가지 이상의 소재를 접합한 이종접합구조(heterostructure) 이종접합구조: MoSe2/WSe2, W1-xMoxS2 등 두 가지 이상의 소재를 층을 이뤄 접합시킨 소재
및 화합물(alloy)도 단결정 박막 합성이 가능함을 보였다.
공동교신저자인 이영희 연구단장은 “이번 연구로 2차원 반도체 소재 본연의 특성을 지닌 단결정 합성기술을 개발했을 뿐만 아니라, 단결정 합성의 핵심 원리를 규명함으로써 2차원 소재 상용화의 초석을 놓았다”고 밝혔다.
이로써 대면적 단결정 2차원 소재 적층구조에서 나타나는 새로운 물리 현상들을 밝히고, 이를 전자/광소자 연구에도 활발히 응용할 수 있게 됐다. 연구진은 향후 2차원 소재들이 적층된 초격자 구조의 단결정 합성 연구를 수행할 계획이다.
이번 연구는 재료 분야 권위지인 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials, IF=27.398) 誌에 3월 10일자로 게재되었다.
연 구 추 가 설 명
논문/저널/저자
Epitaxial single-crystal growth of transition metal dichalcogenide monolayers via atomic sawtooth Au surface / Advanced Materials (2021)
Soo Ho Choi, Hyung-Jin Kim, Bumsub Song, Yong In Kim, Gyeongtak Han, Huong Nguyen Thi Thanh, Hayoung Ko, Stephen Boandoh, Ji Hoon Choi, Chang Seok Oh, Hyun Je Cho, Jeong Won Jin, Yo Seob Won, Byung Hoon Lee, Seok Joon Yun, Bong Gyu Shin, Hu Young Jeong, Young-Min Kim, Young-Kyu Han, Soo Min Kim, Ki Kang Kim, and Young Hee Lee
연구내용
보충설명
- 다결정 구조의 경우, 고체 내 수많은 원자 결함들이 존재하여 소재 고유의 특성을 저해하는 요인으로 작용한다. 따라서 소재 본연의 특성을 발현하기 위해서는 단결정 합성 방법이 필요하다.
- 2차원 소재는 2014년 그래핀 단결정 합성방법이 개발되었으나, 2개 이상의 원소로 구성된 전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenide, TMD), 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN)의 단결정 합성에는 어려움이 있었다.
- 본 연구진은 2018년 단결정 hBN 합성 연구(Science誌 게재)를 하던 중, 합성된 단결정 hBN 위에 TMD를 성장해보는 실험을 하였는데, 동일한 방향으로 정렬되어 성장되는 것을 처음 발견하였다. 당시에는 hBN의 존재로 인해 TMD가 정렬되어 성장된 것이라 생각하였으나, 계속 연구를 진행한 결과, 액상의 금을 응고시켰을 때 원자 수준의 톱날모양 표면을 갖게 되어 TMD 결정이 동일한 방향으로 정렬됨을 발견하였다.
- 개발된 방법은 금속의 특정 결정면에서만 적용되는 것이 아니라, 톱니모양 표면만 확보되면 대면적 단결정 2차원 소재를 만들 수 있어 높은 확장성과 응용성을 가지고 있다.
연구 이야기
[연구 과정] 2차원 반도체 소재인 전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenide, TMD)은 높은 전하이동도, 실리콘과 유사한 1~2 eV의 밴드갭 밴드갭: 물질 내 전자가 가득 차 있는 영역과 자유전자가 존재할 수 있는 영역 사이에 존재하는 에너지 장벽. 밴드갭이 작으면 쉽게 자유전자가 되어 전기가 잘 통하고(도체), 밴드갭이 크면 전기가 잘 통하지 않는다(부도체).
과 높은 전하 이동도 전하 이동도: 고체 내 전류가 얼마나 잘 흐르는지를 나타내는 정도
, 독특한 광학적 특성을 보유하여 전자/광소자 응용이 가능할 것으로 전망되고 있다. 따라서, 2차원 소재가 갖는 본연의 특성을 발현하기 위해 그동안 대면적/단결정 합성 연구가 많이 시도되었다.
[어려웠던 점] 본 연구는 2018년도부터 시작되었으나, 금과 TMD 소재 사이의 상호작용이 강하여 전사 과정에서 TMD 소재가 손상되는 문제와 성장 원리를 명확히 이해하는 것에 문제가 있었고, 많은 연구원들과 함께 2년 이상의 노력 끝에 이러한 문제들을 해결하여 연구를 완성할 수 있었다.
[성과 차별점] 기존 연구들은 특정 밀러지수를 갖는 표면에서의 2차원 소재 합성에 대한 연구를 수행한 반면, 본 연구는 밀러지수와 무관하게 톱날구조의 표면만 있으면 동일하게 적용이 가능하여 높은 확장성을 가진 연구에 해당한다. 또한, 본 연구를 통해 연구진은 2차원 화합물과 이종접합구조도 단결정 합성이 가능함을 실험적으로 보여주었다.
[향후 연구계획] 개발된 합성법을 기반으로, 2차원 소재 본연의 특성 분석과 더불어 2차원 반도체 소재의 두께 제어 합성 및 초격자 구조 합성과 같은 후속 연구를 진행할 계획이며, 이 때 발생하는 물리현상을 심층적으로 연구할 계획이다.
그 림 설 명
[그림 1] 단결정 2차원 반도체 합성 모식도 및 실제 실험 결과
(위) 톱니 모양의 원자구조를 갖는 금 표면에 TMD 결정립들이 동일한 결정방향으로 성장하여 단결정 박막이 성장되는 과정을 보여주고 있다. (아래) 톱니 구조를 갖는 금 표면의 원자 구조 이미지와 이러한 금 표면에 WS2 결정립들이 동일한 방향으로 정렬되어 합성되는 것을 전자현미경으로 관찰하였다. 동일한 방향의 결정립 계면에 원자 결함이 없음을 확인하였으며, 최종적으로 합성된 WS2 박막의 전자회절패턴이 일치하여 단결정 박막이 합성되었음을 보여주었다.
[그림 2] 다양한 금 표면에서 WS2 클러스터 회전각도에 따른 흡착 에너지 계산결과 및 실험적으로 측정된 단결정 WS2의 주사터널링현미경 이미지
일반적으로 박막 합성은 매우 작은 크기의 클러스터가 만들어지고, 이것이 점점 커져 하나의 박막이 합성된다. 왼쪽상단의 그림은 금 표면에 0도와 60도의 각도로 합성된 WS2 클러스터의 모식도이다. 이렇게 금 표면에서 매우 작은 WS2 클러스터가 합성될 때, 어떤 방향으로 합성되는 것이 가장 안정한지 이론적으로 흡착에너지 계산을 수행하였다. (왼쪽하단) 그 결과, 가장 에너지가 낮은 각도가 하나만 존재하는 것이 확인되었으며, 따라서 톱니 모양의 금 표면에서 WS2 클러스터가 합성될 때 한 방향으로만 합성이 되는 것을 이해할 수 있었다. (오른쪽) 주사터널현미경 이미지를 통해 실제로 WS2 결정 방향이 톱니 모양(흰색 점선)의 금 표면에 따라 정렬되어 있음을 보여주어 단결정 합성 원리를 규명하였다.
[그림 3] 합성된 MoSe2/WSe2 이종접합구조의 전자현미경 이미지 및 WSe2 라만 세기 맵핑 이미지
(왼쪽) 동일한 방향으로 정렬되어 성장된 삼각형 모양의 MoSe2/WSe2 이종접합구조의 전자현미경 이미지이다. 전자현미경 이미지로는 이종접합구조 여부를 구분하기 어렵지만, (오른쪽) 라만 맵핑 이미지를 통해 정렬된 삼각형 내에 MoSe2(흰색 점선 부분), WSe2(검정색 점선 부분) 영역을 구분할 수 있다. 따라서 단일 2차원 소재 외에 복잡한 구조도 단결정 합성이 가능함을 실험적으로 보여주었다.
연구진 이력사항
<이영희 나노구조물리 연구단 연구단장, 공동교신저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 성균관대학교 에너지과학과
2. 경력사항
1989 - 1990 미국 에임스 국립 연구소, 방문연구원
1993 - 1993 스위스 취리히 IBM 연구소, 방문연구원
1996 - 1997 미국 미시간 주립대학교, 객원연구원
1987 - 2001 전북대학교 물리학과, 전임강사 - 교수
2001 - 2020 성균관대학교 물리학과(학부), 교수
2008 - 2020 성균관대학교 에너지과학과, 교수
2012 - 현재 IBS 나노구조물리 연구단 단장
2020 - 현재 성균관대학교 물리학과, 행단석좌교수
3. 전문 분야 정보
2005 한국물리학회 학술상 수상
2005 교육인적자원부 국가석학 선정
2006 과기부 되고 싶고 닮고 싶은 과학기술자 선정
2009 대통령 표창
2014 삼양사 수당재단 제23회 수당상 수상(기초과학부문)
2017 Einstein Award
2018~2020 클래리베이트 애널리틱스 highly cited researcher
2019 경암문화재단 제15회 경암상 수상(자연과학부문)
2020 한국물리학회 성봉물리학상 수상
<김기강 나노구조물리 연구단 연구위원, 공동교신저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 성균관대학교 에너지과학과
2. 경력사항
2008 - 2009 성균관대학교, 박사후연구원
2009 - 2012 미국 메사추세츠 공과대학교, 박사후연구원
2012 - 2018 동국대학교 융합에너지신소재공학과, 조교수
2018 - 2019 동국대학교 융합에너지신소재공학과, 부교수
2019 - 현재 성균관대학교 에너지과학과, 부교수
3. 전문 분야 정보
2016 포스텍/동아일보 주관 “한국을 빛낼 젊은 과학자 30인” 선정
2016 30대 젊은 과학자 중 피인용 지수 1위 기록 (화학분야)
2019 국가연구개발 우수성과 100선 선정
2020 한국과학기술한림원 선정 최우수 젊은 과학자 34인 Y-KAST 회원 선출
<김수민 숙명여자대학교 교수, 공동교신저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 숙명여자대학교 화학과 조교수
2. 경력사항
2011 - 2012 미국 메사추세츠공과대학, 박사후연구원
2000 - 2010 한국과학기술연구원 (KIST), 선임연구원
2020 - 현재 숙명여자대학교 화학과, 조교수
3. 전문 분야 정보
2015 과학기술정보통신부 장관상 수상
2018 이달의 KIST인 수상
2019 올해의 KIST인 수상
2019 한국 그래핀 연구회 신진학술상 수상
2019 국가연구개발 우수성과 100선 선정
2019 제 1회 S-OIL 차세대과학자상 수상 (화학분야)
<한영규 동국대학교 교수, 공동교신저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 동국대학교 융합에너지신소재공학과
2. 경력사항
1999 - 2000 동경대학교 응용화학부, JSPS 펠로우
2000 - 2010 LG화학기술연구원, 계산화학 팀장
2010 - 2013 한국기초과학지원연구원, 책임연구원
2013 - 2017 동국대학교 융합에너지신소재공학과, 부교수
2017 - 현재 동국대학교 융합에너지신소재공학과, 교수
3. 전문 분야 정보
이차전지/촉매 소재 양자 계산과학 분야 연구
SCI 논문 303편 발표
데이터베이스 구축 및 머신러닝을 활용한 소재개발 연구
<최수호 나노구조물리 연구단 박사후연구원, 제1저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단
2. 경력사항
2019 - 현재 나노구조물리 연구단, 박사후연구원