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기계적 및 전기적 특성이 우수한 그래핀(Graphene)을 시작으로 2D 재료에 대한 연구가 활발하게 시작되었다. 전이금속 칼코게나이드(TMDC)는 원자의 조성에 따라 밴드갭이 없는 그래핀과는 다른 특수한 전기적 특성을 가진다. 2H 구조의 MoS2는 간접 밴드 갭이 1.9eV이지만 2H-MoS2가 단일 층까지 박리 되면 1.2eV의 밴드 갭을 나타낸다. MoS2의 이러한 반도체 전기 특성은 2D 전자 디바이스에 적용될 수있는 잠재력에 주목하여 세계 각국에서 활발하게 연구되어 왔다. 또한 2D MoS2는 전계 트랜지스터뿐만 아니라 센서, ...

기계적 및 전기적 특성이 우수한 그래핀(Graphene)을 시작으로 2D 재료에 대한 연구가 활발하게 시작되었다. 전이금속 칼코게나이드(TMDC)는 원자의 조성에 따라 밴드갭이 없는 그래핀과는 다른 특수한 전기적 특성을 가진다. 2H 구조의 MoS2는 간접 밴드 갭이 1.9eV이지만 2H-MoS2가 단일 층까지 박리 되면 1.2eV의 밴드 갭을 나타낸다. MoS2의 이러한 반도체 전기 특성은 2D 전자 디바이스에 적용될 수있는 잠재력에 주목하여 세계 각국에서 활발하게 연구되어 왔다. 또한 2D MoS2는 전계 트랜지스터뿐만 아니라 센서, 에너지 전환 및 촉매로써도 가능성을 인정받아 연구되어 오고 있다.
이러한 MoS2 연구가 산업화되기 위해서는 대면적 합성이 필수적이다. 화학기상증착(CVD) 방법은 가장 많이 연구되고 있는 대면적 합성 방법 중 하나이다. 이전의 연구들에서는 보다 우수한 결정성을 가지고 전기적 특성이 뛰어난 MoS2 합성을 하는 것에 집중하였다. 그러나, 대부분의 합성된 MoS2는 넓은 영역에서 합성되지 않았다. 넓은 범위에서 합성 되었더라도, 고온에서의 공정이 오랜 시간 필요하여 합성된 MoS2의 양은 굉장히 적었다. 때문에 기존의 MoS2 합성법은 높은 비용에 비하여 수율이 낮았다.
본 연구에서는 총 가열 공정이 단 1 시간 밖에 걸리지 않는 CVD MoS2 합성법을 사용하여 비용을 줄이면서도 10cm에 걸쳐 MoS2를 합성함으로써 산업화에 적합한 합성법을 제시하였다. 나아가 라만 분광법, 광루미네센스, AFM, XPS로 분석을 통하여 합성된 물질이 한 층과 두 층의 MoS2임을 확인하였다. 합성된 한 층의 MoS2 박막을 이용하여 전계 효과 트랜지스터를 제작하고 전기적 특성을 측정하였다. 캐리어 이동도는 ~ 0.004 cm2 / Vs로 높지 않은 값을 보였지만, 103의 온/오프 전류 비를 가지며 10-8 A 대 까지 전류가 흘러, 각종 센서의 채널 물질로써 역할을 할 수 있는 대면적 MoS2 임을 확인하였다.
추가로 합성 시에 각 전구체의 농도가 합성 결과에 미치는 원리에 대해 파악하고 이를 이용하여 합성된 MoS2 두께를 조절하였다. 10cm 길이의 SiO2/Si 기판에 성장된 MoS2의 각 위치에서의 라만 분광법 분석을 통하여 합성된 두께를 측정하였으며, 합성에 결정적으로 작용하는 각 요인들(MoO3의 질량, H2S 가스 유량 및 아르곤 가스 유량)의 영향을 분석하였다. 이를 바탕으로 MoS2 합성 시 각 요인들의 영향을 정리하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

From the beginning of the outstanding electronic and physical properties of graphene, two-dimensional (2D) layered materials has been researched vigorously. Representatively, 2H-MoS2 has been actively studied around the world due to their potential to be applied to 2D electronic devices. MoS2 has al...

From the beginning of the outstanding electronic and physical properties of graphene, two-dimensional (2D) layered materials has been researched vigorously. Representatively, 2H-MoS2 has been actively studied around the world due to their potential to be applied to 2D electronic devices. MoS2 has also been studied as a sensor, an energy conversion and a catalyst as well as an electric field transistor.
Chemical vapor deposition (CVD) Large area synthesis is one of the most promising research area to MoS2 be used for commercial applications. Previous studies have focused on MoS2 synthesis with better crystallinity and better electrical properties. However, most of the synthesized MoS2 was synthesized just over a few micrometers and under 1 cm-scale. Also, the process at a high temperature requires a long time, which is costly and lethal to commercialization.
In this study, the CVD MoS2 synthesis method, which realize over 10-cm scale of MoS2 with only one hour of heating time, was suggested. The synthesis method takes relatively low cost and the yield is high. Therefore, the MoS2 synthesis method in this study is tremendously valuable for a commercial application compared with other synthesis methods. Mono-layer and bi-layer of MoS2 could be uniformly synthesized over 10 cm. Raman spectroscopy, photoluminescence, AFM and XPS analysis showed that the synthesized MoS2 was mono-layer and bi-layer. A field effect transistor (FET) was fabricated with the synthesized MoS2 thin film and electrical characteristics were measured. Although the carrier mobility is not very high as ~ 0.004 cm2 / Vs, but on/off ratio was 103 and current flows about 10-8 A that synthesized large area MoS2 can be channel material for various sensors with relatively low cost.
Furthermore, the effects of important synthesis parameters (MoO3 mass, H2S gas flow rate, and argon gas flow rate) were analyzed. By Raman spectroscopy analysis, the thickness at each position of MoS2 grown on a SiO2 / Si substrate was indirectly measured. While the parameters are changed, the thickness changes were analyzed. As a result, the effect of each parameter was concluded.

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