'단결정으로 가장 얇고 넓은 반도체 만든다'…IBS와 공동연구진 개발

원자 두께 2차원 반도체 단결정·웨이퍼 크기로 합성

공동연구 통해 이론제시 뒤 검증, 국제 학술지 게재

[대전=뉴시스] 단결정 2차원 반도체 합성 모식도 및 실제 실험 결과.  *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리 연구단 이영희 단장(성균관대 교수)과 김기강 연구위원(성균관대 부교수), 최수호 박사후연구원이 2차원 반도체 소재를 단결정으로 대면적 합성하는 방법을 개발했다고 18일 밝혔다.

김수민 숙명여대 교수, 한영규 동국대 교수와 공동으로 진행한 이번 연구는 단결정 합성의 핵심 원리를 규명, 장비와 기판 크기에 따라 대면적 합성을 할 수 있어 고품질 2차원 반도체 소자 발전에 기여할 것으로 기대된다.

전이금속 칼코겐 화합물(TMD)은 얇은 2차원의 반도체로 한 층이 원자 3개 크기와 유사한 나노미터 두께를 갖는다. 실리콘과 유사한 전기적 특성을 보유하고 있어 차세대 전자소자, 광소자, 센서, 촉매 등에 쓰임새가 높아 큰 TMD 단결정을 만들기 위한 노력이 이어지고 있다.

IBS와 공동 연구진은 원자 수 개 크기의 톱니 모양 표면을 갖는 금 기판을 이용해 대면적 합성법을 고안해 냈다.
 
 연구진에 따르면 다결정 박막 결함은 결정들이 각기 다른 방향으로 성장하기 때문에 생기며 단결정을 만들기 위해서는 원자 수준에서 결정 성장 방향을 동일한 방향으로 정렬시켜야 한다.

이번 연구에서 공동 연구진은 금 기판 위에 TMD 단결정이 생기는 것을 발견하고 금 기판이 액체 상태에서 응고될 때 한 방향으로 정렬된 톱니 모양 표면을 가진다는 사실을 확인했다.

또 TMD 결정 방향이 금 표면에 나란히 정렬될 때 가장 안정된 에너지를 가진다는 사실을 규명, 단결정 형성 원리를 이론적으로 정립했다.
 
이어 주사터널링현미경으로 톱니 표면과 TMD 결정 방향이 정렬된 것을 관찰해 정립한 이론을 실험적으로 검증했다.

특히 연구진은 개발한 기술로 이황화몰리브덴(MoS2), 이황화텅스텐(WS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 등의 단일소재는 물론 두 가지 이상의 소재를 접합한 이종접합구조(heterostructure) 및 화합물(alloy)도 단결정 박막 합성이 가능함을 증명했다.

연구진은 향후 2차원 소재들이 적층된 초격자 구조의 단결정 합성 연구를 수행할 계획이다.
 
이번 연구는 재료분야 권위지인 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials, IF=27.398)'에 지난 10일자로 게재됐다.(논문명:Epitaxial single-crystal growth of transition metal dichalcogenide monolayers via atomic sawtooth Au surface)

공동교신저자인 이영희 연구단장은 "이번 연구로 2차원 반도체 소재 본연의 특성을 지닌 단결정 합성기술을 개발했을 뿐만 아니라 단결정 합성의 핵심 원리를 규명, 2차원 소재 상용화의 초석을 놓았다"고 말했다.


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