우리 연구진이 2차원 반도체 소재 단결정의 대면적 합성 방법을 개발했다. 개발 기술은 고품질 2차원 반도체의 첨단소자 분야 응용 핵심 기반이 될 전망이다.
기초과학연구원(IBS·원장 노도영)은 이영희 나노구조물리연구단장(성균관대 교수)과 김기강 연구위원(성균관대 부교수), 최수호 박사후연구원이 김수민 숙명여대 교수, 한영규 동국대 교수와 함께 전이금속 칼코겐 화합물(TMD)을 단결정으로 합성하는 방법을 개발했다고 18일 밝혔다.
TMD는 얇은 2차원 반도체다. 한 층 두께가 원자 3개 크기다. 실리콘과 전기 특성이 유사해 차세대 전자소자·광소자·센서·촉매 등에 쓰인다.
2차원 반도체를 단결정화하는 것은 소재 특성 저하를 막는 주요한 방법이다. 단결정은 원자들이 연속, 주기적으로 배열된 상태를 뜻한다. 단결정과 반대되는 다결정은 결정 사이 경계 결함 탓에 특성이 떨어진다. 문제는 단결정화 자체가 쉽지 않고, 크게 만들기는 더 어렵다는 점이다.
연구진은 나노 크기 톱니 모양 표면을 갖는 금 기판을 활용, 성과를 냈다. 단결정을 만들려면 원자 수준에서 결정 성장 방향을 동일하게 정렬시켜야 하는데 금 기판 위에서 TMD 단결정이 생기는 것을 우연하게 발견했다.
특수한 표면 모양이 핵심이었다. 금 기판은 액체 상태에서 응고돼 고체화 하는 과정에서 한 방향으로 정렬된 '톱니 모양' 표면을 가진다. TMD는 이런 톱니 모양 표면 위에서 동일한 방향으로 정렬돼 성장했다.
연구진은 이런 단결정 형성 원리를 이론적으로 확인하고 주사터널현미경으로 톱니 표면과 TMD 결정 방향이 정렬되는 것을 관찰, 실험적으로 규명했다.
연구진은 톱니모양 표면만 확보되면 그 크기에 따라 얼마든지 큰 단결정 2차원 소재를 만들 수 있다고 설명했다. 대면적화 가능성을 확인한 것이다.
이황화몰리브덴(MoS₂)·이황화텅스텐(WS₂)·이셀레늄화텅스텐(WSe₂) 등 단일 소재, 두 가지 이상 소재를 접합한 이종 접합구조나 화합물도 단결정 박막으로 합성 가능하다.
향후 대면적 단결정 2차원 소재 적층구조에서 나타나는 새로운 물리 현상들을 밝히고, 이를 전자·광소자 연구에도 활발히 응용할 수 있게 됐다. 연구진은 향후 2차원 소재들이 적층된 초격자 구조의 단결정 합성 연구를 수행할 계획이다.
이영희 단장은 “이번 연구로 2차원 반도체 소재 본연의 특성을 지닌 단결정 합성기술을 개발했다”며 “단결정 합성 핵심 원리를 규명함으로써 2차원 소재 상용화의 초석을 놓았다”고 밝혔다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
