^*도핑(doping): 본래 물질의 전기적·물리적 특성을 조절하기 위해 의도적으로 이물질을 첨가하는 것을 말한다. 최근 물질에 공극결함을 의도적으로 만들어 이물질을 도핑한 것과 같은 효과를 낼 수 있다는 것이 밝혀졌다.

^*전구체(precursor): 화학반응 등에서 최종적으로 얻을 수 있는 특정 물질이 되기 전 단계의 물질(원료)

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

이황화몰리브덴 (molybdenum disulfide, MoS2)1)은 전이금속 화합물2)로서 차세대 반도체 소재로 각광받고 있다. 하지만, 전이금속 화합물을 전기화학 촉매, 전자소자 등 실생활에 사용되기 위해서는 전이금속 화합물의 물성 제어가 필수적이다. 원자수준의 결함 (예, 칼코겐 공극-chalcogen vacancy)3) 도입을 통해 전이금속 화합물의 전기적·물리적 물성 제어가 가능하다는 것이 밝혀진 이후로, 수소 열처리 (hydrogen annealing), 플라즈마 (plasma) 처리 등 다양한 후처리 공정들이 전이금속 화합물에 원자수준 결함을 도입하기 위해 제안되어왔다. 그러나, 이러한 후처리 방법들은 정밀한 원자수준 결함 제어가 어렵고, 대면적으로 균일한 결함 도입 역시 불가능하다는 한계가 있다.

본 연구를 통해서 개발된 합성법은 독립적인 전이금속 전구체와 칼코겐 전구체를 사용하기 때문에, 전구체 합성 단계에서 전이금속과 칼코겐 전구체 비율 조절을 통해 칼코겐 공극 농도를 제어 할 수 있을 것으로 판단하였다. 또한, 도입된 칼코겐 공극은 전이금속 화합물에 도핑 (doping)4)을 유도하고, 이를 통해서 전이금속 화합물의 물성을 효과적으로 제어 할 수 있을 것으로 기대하였다.

2. 연구내용

본 연구진은 전이금속과 칼코겐 전구체의 비율이 조절된 MoS2 전구체 개발을 통해서 후처리 공정 없이 칼코겐 공극 도입된 MoS2를 합성하였다. 칼코겐 공극 도입된 MoS2는 공극 농도에 상관없이 대면적 합성에서도 균일한 공극 농도와 결정성을 갖는 것을 확인하였다. 칼코겐 공극 농도 조절을 통한 MoS2의 도핑 농도 제어를 통해서 MoS2의 전기적⦁물리적 물성을 성공적으로 제어하였고, 물성이 제어된 MoS2는 전기화학 촉매로서 우수한 수소발생반응 (hydrogen production reaction)5) 성능이 확인되었다.

3. 기대효과

후처리 공정 없이 원자수준 결합 도입된 전이금속 화합물 합성 방법은 물성 제어된 전이금속 화합물의 합성 공정 단계를 획기적으로 감소시켜 전이금속 화합물의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 제시된 방법은 대면적으로 균일한 합성이 가능하기 때문에 전기화학분야 뿐만 아니라 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 반도체 소재로서 센서, CMOS, 트랜지스터 등 다양한 전자소자에 적용 가능 할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 이황화몰리브덴 (molybdenum disulfide, MoS2)

전이금속 화합물 중 하나로 전이금속인 몰리브덴(molybdenum)과 칼코겐 원소인 황(sulfur)이 1:2의 비율로 이루어진 화합물의 일종으로 대표적인 반도체성 2D 물질이다. 반도체 소자, 촉매, 센서 등 다양한 분야에 응용되고 있다.

2. 전이금속 화합물 (transition metal compounds)

팔라듐 (Pd), 몰리브데넘 (Mo), 텡스텐 (W) 및 망간 (Mn)과 같은 전이금속이 다른 원소와 결합하여 생긴 화합물로, 일반적으로 다른 원소는 탄소 (C), 산소 (O), 황 (S), 셀레늄 (Se), 및 질소 (N)와 같은 비금속 원소이다.

3. 칼코겐 공극 (chalcogen vacancy)

전이금속과 칼코겐（예, S, Se, Te)이 결합하여 만들어진 전이금속 화합물 (대표적으로, transition metal dichalcogenides, TMDs)에서 칼코겐이 탈락한 것을 칼코겐 공극이라고 지칭한다.

4. 도핑 (doping)

어떤 물질이 가진 순수한 전기적, 광학적 및 구조적 특성을 조절하기 위해, 결정 제조 과정 중에 불순물(원소나 화학 물질)을 의도적으로 첨가하는 것을 지칭한다.

5. 수소발생반응 (hydrogen evolution reaction, HER)

수소 발생 반응 (HER, 2H+ + 2e- → H2)은 전기화학적 물 분해에서의 환원 반응이다. 2전자 이동 반응의 고전적인 예이며 중요한 화학 시약 및 연료인 H2를 생산할 수 있는 중요한 화학반응이다.

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

그림1. 황 공극이 조절된 MoS2 합성 방법 모식도. (a) 두 종류의 액상 전구체 혼합해 황 공극이 조절된 MoS2 전구체를 합성함. (b) 액상 전구체 비율 조절을 통한 MoS2 격자 내 in-situ(실시간) 황 공극 조절. 그림 1a에서 확인 가능 하듯이 액상기반 합성법을 활용하여 MoS2 전구체를 제조함. 몰리브덴(Mo) 금속에 꼬리처림 달린 리간드(ligand)를 순차적으로 바꾸는 방식을 썼다. 그림 1b는 액상 원료 비율 조절을 통해서 황 공극결함 농도가 조절된 MoS2를 합성할 수 있다는 것을 나타냄. 황이 포함된 원료의 비율이 낮을수록 황 공극결함 농도가 높아짐