[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

대표적인 2차원 소재중 하나인 전이금속 화합물1)은 고유의 우수한 특성을 기반으로 차세대 전자소자 재료로써 주목받고 있다. 하지만, 전이금속 화합물의 실생활 적용을 위해서는 품질 향상 및 대면적 합성이 필수적으로 요구되고 있다. 현재 전이금속 화합물 합성을 위해 개발되고 있는 다양한 합성법 중에서 전이금속 전구체와 칼코겐 소스를 동시에 증발시켜 성장 기판 위에 증착하는 일반적인 화학 기상 증착 (chemical vapor deposition, CVD)2)방법이 고품질 전이금속 화합물을 성장시킬 수 있는 방법으로 밝혀져 있다. 하지만 이러한 고상 전구체를 사용한 증착 방법은 고상 전구체의 증기 농도가 전구체 소스로부터 멀어짐에 따라 불규칙해지기 때문에 재현성이 낮을 뿐만 아니라 균일한 대면적 전이금속 화합물 박막 합성에 한계를 갖는다.

본 연구에서 제안된 합성법은 액상 전이금속 전구체를 사용한 CVD 방법은 성장 기판에 코팅한 후 합성을 진행하기 때문에, 전이금속과 칼코겐 전구체가 성장 기판 전체에 걸쳐 균일하게 반응하여 박막 합성에 용이할 것으로 판단하였다. 또한, 전이금속 전구체가 포함된 용액에 알칼리 금속 할라이드(halide)를 첨가하여 칼코겐화 (chalcogenization)3)공정을 촉진함으로써 고품질의 대면적 전이금속 화합물을 합성 할 수 있을 것으로 기대하였다.

2. 연구내용

본 연구진은 촉진제가 포함된 액상 전구체 기반 CVD 방법 개발을 통해 균일한 표면을 갖는 단층 고품질 전이금속 화합물 박막을 합성하였다. 촉진제로써 사용된 알칼리 금속 할라이드는 전이금속 화합물 성장에 필요한 에너지 장벽 (energy barrier)을 효과적으로 감소시켜 칼코겐화 공정의 향상과 함께 측면 방향으로 성장이 촉진되어 대면적 박막을 합성하였다. 또한, 촉진제를 사용함으로써 광학적⦁전기적 물성이 향상되었으며, 이를 통해 합성된 전이금속 화합물은 높은 전자 이동도 (electron mobility)를 나타내는 것이 확인되었다.

3. 기대효과

촉진제를 포함한 액상 전구체 기반 화학 기상 증착 방법은 전이금속 화합물의 균일한 대면적의 단층 박막을 합성할 수 있어 전이금속 화합물의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 촉진제로 사용된 알칼리 금속 할라이드는 칼코겐화 공정을 향상시킬 수 있기 때문에, 전이금속 화합물의 전기적, 광학적 특성 및 결정성 향상에 기여할 수 있다. 따라서 제시된 접근법을 통해 우수한 성능을 나타내는 2차원 소재 기반 대면적 전자소자 개발 및 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 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.

 2. 화학 기상 증착 (chemical vapor deposition)

외부와 차단된 챔버 안에서 가스들이 열, 빛, 플라즈마 (plasma)와 같은 환경에 의해 반응하여 챔버 안에 존재하는 성장 기판 위에 고체 물질을 형성하는 방법을 지칭한다.

 3. 칼코겐화 (chalcogenization)

전이금속 화합물 제조 과정에서 열처리로 인해 증기화된 전이금속 전구체와 칼코겐 전구체가 반응하여 전이금속 화합물이 형성되는 공정 단계를 지칭한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 화학 기상 증착(CVD) 방법을 통한 몰리브데넘 다이셀레나이드 합성. (a) 촉진제를 포함한 액상 전구체 기반 화학 기상 증착 방법 모식도. 촉진제 농도에 따른 몰리브데넘 다이셀레나이드의 (b) 광학 이미지 및 (c, d) XPS 분석. 그림 1a에서 나타나듯이 전이금속 전구체를 포함한 용액을 성장 기판 위에 코팅한 후 열처리를 통해 전이금속 화합물 합성. 그림 1b-d는 촉진제 농도가 합성된 전이금속 화합물의 형태와 원자 구성에 미치는 영향을 분석함.

연구배경

그림2. 전이금속 화합물의 대면적 합성. (a, b) 3cm × 3cm 사파이어 기판 위에 합선된 몰리브데넘 다이셀레나이드 박막 및 2-inch SiO2/Si 웨이퍼 위에 전사한 디지털 이미지 및 (c) 광학현미경 분석을 통한 표면 균일성 확인. 그림 2a와 2b에서 나타나듯이 전이금속 화합물 박막의 대면적 합성이 가능한 것을 확인하였으며 그림 2c를 통해 균일한 표면을 갖는 것이 확인됨.

그림3. 몰리브데넘 다이셀레나이드 박막의 전기적 특성. (a) 몰리브데넘 다이셀레나이드 박막 기반 전계효과 트랜지스터 모식도. (b, c) 몰리브데넘 다이셀레나이드 박막의 output characteristics 및 transfer characteristics. 그림 3a에서 확인 가능 하듯이 전계효과 트랜지스터를 제작하였으며, 우수한 전자 이동도를 보임 (그림 3b, c).