이차원 반도체 물질 형성될 때 일차원 구조 거친다

2021.04.06 13:32
김형섭 성균관대 신소재공학부 교수팀…3차원,1차원 거쳐 층상 구조 형성
김형섭 성균관대 신소재공학부 교수(사진)팀이 산화몰리브덴(MoO2)을 이용해 층상 구조를 가진 이황화몰리브덴(MoS2)을 만들 때 분자들이 일차원 구조를 거친다는 사실을 최초로 발견했다. 성균관대 제공
김형섭 성균관대 신소재공학부 교수(사진)팀이 산화몰리브덴(MoO₂)을 이용해 층상 구조를 가진 이황화몰리브덴(MoS₂)을 만들 때 이황화몰리브덴 분자들이 일차원 구조를 거쳐 층상 구조를 형성한다는 사실을 최초로 관찰했다. 성균관대 제공

삼성전자와 성균관대 연구팀이 차세대 반도체 소재로 주목받는 이황화몰리브덴이 형성되는 중간 과정을 처음으로 규명하는데 성공했다. 

 

김형섭 성균관대 신소재공학부 교수팀과 이은하 삼성전자종합기술원 전문연구원팀은 “산화몰리브덴(MoO₂)을 이용해 층상 구조를 가진 이황화몰리브덴(MoS₂)을 만들 때 분자들이 일차원 구조를 거쳐 층상 구조를 형성한다는 사실을 최초로 관찰했다"고 6일 밝혔다.

 

이황화몰리브덴은 그래핀처럼 두께가 수 nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m)인 2차원 층이 여럿 쌓인 '층상 구조'를 이루고 있다. 그래핀과 달리 반도체 특성이 있어 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다. 이황화몰리브덴은 산화몰리브덴에 포함된 산소 원자를 황(S)이나 셀레늄(Se)으로 바꾸는 방식으로 만든다. 산화몰리브덴 분자들이 삼차원 형태로 배열돼 있다가 산화몰리브덴으로 바뀐 분자들이 한층 한층 쌓여 층상 구조가 된다. 

 

연구팀은 고분해능 투과전자현미경을 이용해 산화몰리브덴을 이황화몰리브덴으로 만드는 과정을 관찰했다. 그 결과 이황화몰리브덴 분자가 층을 형성하기 전 여러 줄로 질서정연하게 늘어서는 현상을 관찰했다. 연구팀은 각 줄의 단면이 삼각형이라는 사실을 추가로 관찰하고 삼차원으로 배열돼 있던 산화몰리브덴이 일차원 구조를 거쳐 층을 이루는 과정을 확인했다.

 

연구팀은 또 조만호 연세대 물리학과 교수팀과 엑스레이 광전자 분광법을 이용해 이황화몰리브덴의 층이 쌓이다 보면 반도체 특성이 어느 순간 n형에서 p형으로 바뀐다는 사실도 확인했다. n형은 반도체 내에서 여분의 전자가 전류를 흐르게 하는 반도체고 p형은 전자가 부족해 생긴 빈자리인 정공이 움직여 전류가 흐르는 반도체다. 

 

연구팀은 "이번 연구는 화학반응을 이용한 고체의 상변이 과정을 원자 수준에서 직접 관찰했다는 데 의미가 있다"며 "향후 다양한 전자소자에 응용이 가능할 것으로 기대된다"고 말했다. 이 연구는 국제학술지 ‘머티어리얼스 투데이’ 인터넷판 3월 17일자에 실렸다.

 

이황화몰리브덴 분자들이 층을 형성하기 전 단면이 삼각형인 여러 줄로 늘어선다(오른쪽 그림 위쪽). 연구팀은 이황화몰리브덴의 층이 쌓이다 보면 반도체 특성이 특정 순간 n형에서 p형으로 바뀐다는 사실도 확인했다. 성균관대 제공
이황화몰리브덴 분자들이 층을 형성하기 전 단면이 삼각형인 여러 줄로 늘어선다(오른쪽 그림 네모 칸). 연구팀은 이황화몰리브덴의 층이 쌓이다 보면 반도체 특성이 특정 순간 n형에서 p형으로 바뀐다는 사실도 확인했다. 성균관대 제공

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