[논문]2차원 층상구조 전이금속칼코젠의 반도체-도체 구조상전이 기반 응용 기술

조수연; 김세라; 석진봉; 양희준

doi:10.5757/vacmac.3.1.4

[국내논문] 2차원 층상구조 전이금속칼코젠의 반도체-도체 구조상전이 기반 응용 기술
Applications of metal-semiconductor phase transition in 2D layered transition metal dichalcogenides 원문보기

진공 이야기 = Vacuum magazine, v.3 no.1, 2016년, pp.4 - 8

조수연 (성균관대학교 나노구조물리연구단) , 김세라 (성균관대학교 에너지과학과) , 석진봉 (성균관대학교 에너지과학과) , 양희준 (성균관대학교 에너지과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Motivated by two dimensional graphene, layered transition metal dichalcogenides (TMDs) have attracted scientific interests by their diverse electronic, optical and catalytic properties. In particular, group 6 TMDs such as $MoS_2$ and $MoTe_2$ have polymorphs (with metallic octahedral and semiconducting hexagonal phases) which are not present in graphene. Here, we introduce a new concept in 2D materials' studies, structural phase transition, with group 6 TMDs and its current research trend and applications for electric device and electrochemical catalyst.

AI 본문요약
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제안 방법

앞서 기술한 바와 같이 6족 전이금속칼코젠 화합물에서의 구조상전이를 이용하여 단일 물질(2H-MoTe2) 내에서 반도체-도체 쇼트키 접합을 도체상인 1T' 상을 국소적으로 만들어 접촉저항을 획기적으로 낮추는 방법이 제안되었다.

성능/효과

최근 MoS₂를 중심으로 샘플 구조(면, 선 구조 등)나 polymorph 구조상에 따라 달라지는 수소 발생 특성이 집중적으로 연구&보고 되고 있다. 2H-MoS₂는 낮은 전기 전도성 때문에 낮은 촉매활성을 보이며, 1T-MoS₂는 높아진 전기 전도성으로 높은 촉매활성을 보인다는 것이 증명되었다. 각 구조상에 따라 촉매반응의 활성부위(active site) 또한 다른데, 2H구조의 경우 물질의 가장자리(edge)에서 활발한 반응이 일어나지만 1T 구조의 경우 기저면(basal plane)에서 반응이 일어난다는 것 또한 밝혀졌다 (그림5) [15].
반도체-도체 구조 상전이 현상은 다른 6족 전이금속칼코젠 화합물과는 달리 두 구조상이 단결정 수준으로 상온에서 안정적이고 광역적으로 균일하게 발현된다는 것이 보고 되었다. 또한 이러한 MoTe₂에서의 구조상전이는 MoS₂와는 달리 추가적인 전자도핑이 아닌 Te vacancy가 주요한 역할을 하고 있다는 것이 관측되었다. 투과전자현미경 연구를 통해 반도체 2H 상에 Te vacancy가 생기면 Te vacancy 주변으로 2H 구조가 1T' 구조로 변화하는 것을 관찰할 수 있다.
그림 4는 2H 구조에 레이저 조사를 하여 전극이 접합되는 부분에 Te vacancy를 만들어 국소적으로 1T' 구조로 상전이 시켜 반도체-도체 계면의 낮은 저항을 구현하여 50배 증가한 전자이동도(50 ㎠/Vs)와 낮은 쇼트키 장벽을 보여준다. 이 방법을 통해 소자의 동작속도 개선은 물론 반도체-도체 계면에서 소모되던 에너지(전자소자 작동시 2/3의 에너지가 열에너지로 낭비)를 크게 줄여 전력소모도 줄일 수 있게 되었다. 또한 이런 동종 접합은 300 ℃까지 안정으로 특성을 유지하기 때문에 기존에 사용되는 반도체 소자 생산 과정에 적용될 수 있다.
반도체인 2H 상에 외부 압력 또는 strain을 가해 도체상 1T'으로 구조상전이를 구현할 수 있다는 것도 보고 되었다 [12]. 이러한 외부 압력은 실제의 높은 상전이 온도를 낮춰주어 상온에서도 tensile strain에 의한 구조 상전이가 가능함을 보였다. 이는 적외선 감지(IR detector) 등의 기술에 곧바로 응용 가능하여 많은 주목을 받고 있다.
이처럼 간단하게 일정한 레이저를 조사하는 공정으로 2차원 소재의 구조적인 상을 제어할 수 있으며 나아가 기존의 반도체 트랜지스터와는 다른, 새로운 interface를 가진 트랜지스터를 개발할 수 있었다. 이러한 소자들은 에너지 절감 및 전자기기의 이동속도에 새로운 혁명적 변화를 줄 것이며 작은 전력으로 전자기기를 구현시킬 수 있는 차세대 소자로서의 새로운 가능성을 열 것이다.
제1 원리 계산을 통해 Te vacancy가 존재할 경우 1T' 구조의 결합에너지가 2H 구조보다 낮아지는 것을 확인되었고, Te vacancy를 인위적으로 만들었을 경우 MoTe2에서 반도체-도체 구조 상전이가 일어나는 것이 본 저자들의 연구에서 실험적으로 구현되었다 [11].

후속연구

또한 이런 동종 접합은 300 ℃까지 안정으로 특성을 유지하기 때문에 기존에 사용되는 반도체 소자 생산 과정에 적용될 수 있다. 뿐만 아니라 기존 반도체 소자를 만들기 위해 채널 역할을 하는 반도체와 전극 역할을 하는 도체(금속)를 접합하는 복잡한 패터닝 공정에 비해 이물질 오염을 피할 수 있는 레이저 패터닝 방법을 활용하여 2차원 반도체 소자의 제작공정이 크게 단축됨은 물론 제작비용과 시간을 절감할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
주로 MoS₂ 표면에 의도적으로 결함(Defect)을 주어, 평평한 표면을 개조하여 전기화학적 촉매 활성도를 증가시킨 결과가 많이 보고되어 있으며 [16], 전기 전도성을 더욱 높이고 화학적 안정성을 높이기 위해 그래핀과 합성하거나, 비표면적을 넓이기 위해 다양한 수직 구조를 만들기도 하였다 [17]. 이렇게 전기 전도성을 높이는 방향은 본 글에서 기술한 구조상전이와 관계될 수 있으며, 두 연구를 융합하면 더 효율적인 전기화학 촉매 연구가 기대된다.
2차원 층상 구조 전이금속칼코젠 화합물은 그래핀 연구에서 보여준 여러 응용 가능성을 포함하여, 반도체 논리 소자, 전기화학 촉매로써도 높은 응용 가능성을 보여주고 있다. 최근 본 그룹에서 발표한 6족 전이금속칼코젠 MoTe₂의 도체-반도체 구조상전이 연구는 많은 물리학적, 재료공학적 응용 가능성을 보여주고 있으며, 다른 2차원 층상 구조 물질에도 적용이 가능할 것으로 예상된다. Beyond graphene이 최근 연구의 화두로 대두되는 지금, 상전이 기반 전이금속칼코젠 화합물의 많은 연구가 기대되고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전이금속칼코젠 화합물의 흥미로운 물리현상은 무엇이 있는가?	기존 3차원 물질의 거시적인 물성도 크기가 작아질수록 전혀 새로운 특성을 가지기도 하는데, 전이금속칼코젠 화합물에서도 차원 제어에 따른 흥미로운 물리현상이 많이 보고 되었다. 특히, 두께에 따라 물질 고유의 밴드갭 특성 (direct or indirect band gap) 및 밴드갭 크기가 바뀌는 현상과 기존 3차원 물질에서 고려되지 않던 스핀-궤도 간의 결합이 중요하게 되어 특이한 광학 특성 [2], 전기적 특성 [3], 양자-스핀 홀 효과 [4] 등이 주요한 예라고 할 수 있다. 또한 3차원 물질에 비해 2차원 물질은 비표면적이 넓고, 면적 당 활성부위(active site)가 많아 친환경 에너지를 가능하게 하는 전기화학 촉매로서의 가능성도 주목 받고 있다 [5].
	꿈의 신소재인 그래핀의 특징은 무엇인가?	꿈의 신소재라고 불리는 2차원 물질 그래핀은 100,000cm2/Vs [1]에 달하는 높은 전자 이동도를 가지는 2차원 electron gas로써 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있으며, 97% 이상 빛을 투과시키고, 휘거나 접을 수 있는 특성으로 차세대 웨어러블(wearable) 전자기기 소재로 각광을 받아왔다. 하지만 그래핀은 전기적밴드갭을 가지고 있지 않아 가장 큰 시장을 가지고 있는반도체 논리소자로써의 응용이 어렵고, 안정적인 sp2혼성 탄소 결합에 기인한 낮은 촉매 작용으로 관련 분야 응용 분야 연구가 제한되어, 최근에는 이를 극복할 수 있는 그래핀을 닮은 다른 2차원 물질, 전이금속칼코젠 화합물에 대한 연구가 주목을 받고 있다.
	그래핀의 한계점은 무엇인가?	꿈의 신소재라고 불리는 2차원 물질 그래핀은 100,000cm2/Vs [1]에 달하는 높은 전자 이동도를 가지는 2차원 electron gas로써 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있으며, 97% 이상 빛을 투과시키고, 휘거나 접을 수 있는 특성으로 차세대 웨어러블(wearable) 전자기기 소재로 각광을 받아왔다. 하지만 그래핀은 전기적밴드갭을 가지고 있지 않아 가장 큰 시장을 가지고 있는반도체 논리소자로써의 응용이 어렵고, 안정적인 sp2혼성 탄소 결합에 기인한 낮은 촉매 작용으로 관련 분야 응용 분야 연구가 제한되어, 최근에는 이를 극복할 수 있는 그래핀을 닮은 다른 2차원 물질, 전이금속칼코젠 화합물에 대한 연구가 주목을 받고 있다.

참고문헌 (17)

Y. Zhang, Y.-W. Tan, H.L. Stormer, and P. Kim, Nature, 438, 201 (2005).

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Andrey N. Enyashin, Lena Yadgarov, Lothar Houben, Igor Popov, Marc Weidenbach, Reshef Tenne, Maya Bar-Sadan, and Gotthard Seifert, J. Phys. Chem. C 115, 24586 (2011).

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Suyeon Cho, Sera Kim, Jung Ho Kim, Jiong Zhao, Jinbong Seok, Dong Hoon Keum, Jaeyoon Baik, Duk-Hyun Choe, K. J. Chang, Kazu Suenaga, Sung Wng Kim, Young Hee Lee, and Heejun Yang, Science 349, 625 (2015).

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Seunghyun Song, Dong Hoon Keum, Suyeon Cho, David Perello, Yunseok Kim, and Young Hee Lee, Nano Lett., 16, 188 (2016)

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L. Wang, I. Meric, P. Y. Huang, Q. Gao, Y. Gao, H. Tran, T. Taniguchi, K. Watanabe, L. M. Campos, D. A. Muller, J. Guo, P. Kim, J. Hone, K. L. Shepard, and C. R. Dean, Science, 342, 614 (2013).

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Rajesh Kappera, Damien Voiry, Sibel Ebru Yalcin, Brittany Branch, Gautam Gupta, Aditya D. Mohite and Manish Chhowalla, Nature Mat. 13, 1128 (2014).

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Damien Voiry, Maryam Salehi, Rafael Silva, Takeshi Fujita, Mingwei Chen, Tewodros Asefa, Vivek B. Shenoy, Goki Eda, and Manish Chhowalla, Nano letters, 13, 6222 (2013).

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Jesse D. Benck, Thomas R. Hellstern, Jakob Kibsgaard, Pongkarn Chakthranont, and Thomas F. Jaramillo, ACS Catal., 4, 3957 (2014).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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