보통의 결정 소재는 수많은 결정들이 합쳐진 다결정 고체입니다. 그런데 결정들 사이에 존재하는 경계 결함은 소재 특성 저하의 원인이 됩니다. 단결정 합성은 이러한 저하를 방지할 수 있는 중요한 기술입니다. 그러나 결정 구조를 완벽하게 이어지도록 구현하는 것이 그간 기술적으로 매우 어려웠습니다.

기초과학연구원(IBS) 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 개발했습니다. 단결정 합성의 핵심 원리를 규명함으로써 장비와 기판 크기에 따라 대면적 합성이 가능해졌습니다. 이로써 고품질 2차원 반도체의 첨단소자 분야 응용이 기대됩니다. 연구결과는 'Advanced Materials'에 게재됐습니다. 

원자두께 2차원 반도체를 단결정·웨이퍼 크기로 합성 

전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenide, TMD)은 얇은 2차원의 반도체입니다. 한 층이 원자 3개 크기와 맞먹는 나노미터(10-9m) 두께를 갖습니다. 실리콘과 유사한 전기적 특성을 보유하고 있어 차세대 전자소자, 광소자, 센서, 촉매 등에 쓰임새가 높습니다. 충분히 큰 TMD 단결정을 만들기 위해 최근까지 많은 시도가 있었으나, 뚜렷한 성과가 보고된 바 없었습니다.

연구진은 원자 수 개 크기의 톱니 모양 표면을 갖는 금 기판을 이용하여 문제를 해결했습니다. 다결정 박막 결함은 결정들이 각기 다른 방향으로 성장하기 때문에 생깁니다. 단결정을 만들기 위해서는 원자 수준에서 결정 성장 방향을 동일한 방향으로 정렬시켜야 합니다. 연구진은 금 기판 위에서 TMD 단결정이 생김을 우연히 발견하고, 금 기판이 액체 상태에서 응고될 때 한 방향으로 정렬된 톱니 모양 표면을 가짐을 밝혔습니다.

또한 TMD 결정 방향이 금 표면에 나란히 정렬될 때 가장 안정한 에너지를 가짐을 제시해 단결정 형성 원리를 이론적으로 밝혔습니다. 이어 주사터널링현미경으로 톱니 표면과 TMD 결정 방향이 정렬된 것을 관찰함으로써 이 가설을 실험적으로 확인했습니다.

연구진이 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 보였습니다. 참고로 이종접합구조는 MoSe₂/WSe₂, W_1-xMo_xS₂ 등 두 가지 이상의 소재를 층을 이뤄 접합시킨 소재를 말합니다.

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 밝혔습니다.

이로써 대면적 단결정 2차원 소재 적층구조에서 나타나는 새로운 물리 현상들을 밝히고, 이를 전자·광소자 연구에도 활발히 응용할 수 있게 됐습니다. 연구진은 향후 2차원 소재들이 적층된 초격자 구조의 단결정 합성 연구를 수행할 계획입니다.

##참고자료##

• Choi, Soo Ho, et al. "Epitaxial single-crystal growth of transition metal dichalcogenide monolayers via atomic sawtooth Au surface." arXiv preprint arXiv:2010.10097 (2020).

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