[논문]2차원 소재 구조 상전이를 활용한 전자 및 양자 미래 소자

양희준

2차원 소재 구조 상전이를 활용한 전자 및 양자 미래 소자 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.20 no.4, 2017년, pp.15 - 22

양희준 (성균관대학교 에너지과학과)

초록이 없습니다.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기존 실리콘 기반 소자는 실리콘 원자의 강한 다이아몬드 구조 결합(sp3 결합 기반)으로 전기적 게이팅에 의존한 소자 응용만 가능했다(전계 효과 트랜지스터). 그래핀의 경우 sp2 결합에 기반한 다양한 단일 층 소자가 가능했으나, 본 논문에서 반도체/반금속 전이금속칼코젠 화합물 기반, 특히 구조 상전이를 활용할 수 있는 소재/소자 연구에 집중한다.
이와 관련된 기술적 흐름은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 기존 3차원 반도체 기술을 그대로 새로운 2차원 소재 기반 소자에 활용하려는 노력과, 새로운 2차원 소재의 특별한 구조 및 물리적 성질을 활용한 새로운 공정 및 기존 소자에 불가능했던 성능 개선 연구로 나눌 수 있다. 전자는 큰 비용의 투자 없이 기존 반도체 공정 라인을 활용한 즉각적 응용에 중요성을 두고 있고, 후자의 경우 장기적 관점에서 4차산업혁명을 구현할 수 있는 초고성능 소자 개발을 목표로 한다.

가설 설정

(a) 위상 구조 상전이. (b) 사방정계 구조에서 뒤틀린 8면체 구조로의 구조 상전이. (c) 뒤틀린 8면체 구조의 단층 MoS₂에서의 밴드 반전⁸⁾.

제안 방법

실험적으로 확인됐다. 최근 많이 활용되고 있는 공초점 현미경 장비(confocal Raman system), 즉 라만 분광기가 설치된 원자 힘 현미경(Atomic force microscopy)의 팁을 이용하여, suspended 2H-MoTe₂에 물리적인 압력을 직접 가하는 실험 방법을 통해 상전이 현상을 탐구할 수 있었다. 성균관대 연구팀에서는 900℃에 육박하는 상전이 온도를 (압력을 가하며) 상온까지 낮추어 손쉬운 상전이를 가능하다는 것을 증명했다⁶⁾.

성능/효과

또한, 이 상전이 과정은 in-situ 전자 투과 현미경을 이용하여 증명되었다. 2H 구조의 MoTe₂ 격자 내에 전자 빔을 조사하고 가열하면, 전자 빔이 조사된 부분에서부터 1T 격자 구조로의 국소적인 전자 유도 상전이가 나타남을 확인하였다. 본 연구팀의 이러한 광학적 상전이 연구 이후, MoTe₂뿐만이 아니라, 다른 6족 전이 금속 산화물인 MoS₂에서도 수행되었다^14).
Fig. 2와 같이, 2H와 1T’ 구조상 사이의 결합 에너지 차이가 30 meV 밖에 되지 않는 반도체 2H-MoTe2 기반의 소자에서 금속 전극이 증착될 부분에 국소적으로 레이저를 조사하여 2H->1T’ 구조상의 상전이를 유도하였고, 그 부분은 금속성을 갖는 1T’-MoTe2 로 바뀌며 기존 ‘2H-금속’ 접합에 비해 작은 접촉 저항을 보였다.
2 오른쪽 그래프) 이를 통해 MoTe₂ 단일 소재로 구성된 최초의 ohmic homojunction을 만들 수 있었다. 기존에는 다양한 2차원 헤테로 구조 소자(hetero structure device)가 양산에 적용할 수 없는 전사 기술을 필수적으로 수반하였고, 많은 impurity를 필연적으로 가질 수밖에 없었으나, Fig. 2와 같이 광학적으로 제작된 동종 접합체(homojunction) 구조는 원자적으로 결함 없이 깨끗하며, 기존 수직으로의 헤테로 접합 구조를 대체 할 수 있었다. 또한, 이 상전이 과정은 in-situ 전자 투과 현미경을 이용하여 증명되었다.

후속연구

그래핀의 경우 시료의 준비가 비교적 간단하고(mechanical exfoliation, 기계적 박리법), 깨끗하고 단순한 물성이 주로 응용에 활용될 전망이었다면, 전이금속칼코젠 화합물은 복잡한 상전이양상을 지니고 이를 제어할 수 있는 외부 인자도 다양하다. 이런 상전이를 활용한다면, 기존 3차원 반도체로 가능하지 않았던 새로운 원리의 소자와 기존 소자보다 훨씬 빠른 소자의 개발이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2차원 반도체 소재의 특징은?	2차원 반도체 소재는 소자가 동작하는 상온에서 구조 상전이를 비롯하여 다양한 전기적, 자성, 양자역학적 물성을 보이는데, 이를 자유롭게 활용하면 기존에 존재하지 않은 새로운 소자 구조 및 동작을 구현할 수 있다. 예를 들어 기존에 알려진 온도를 통한 상전이의 경우 이를 상온에서 동작하는 소자에 적용하기 어려움이 따르나, 2차원 소재기반으로 보고된 레이저 기반, 물리적 압력 기반, 도핑에 따른 상전이는 우리에게 새로운 옵션을 다양하게 제공한다.
	자기저항은 어떤 방식으로 활용될 수 있는가?	자기저항(magnetoresistance)이란 금속이나 반도체 물질에 자기장을 가해줄 때 저항이 변하는 현상을 말한다. 이러한 효과는 저항의 변화를 측정하여 자기장의 크기와 방향을 측정하는 자기센서22)에 사용되거나 캐리어의 전하와 스핀을 동시에 활용하는 스핀트로닉스에 응용되어 사용될 수 있다. 특히, 스핀트로닉스 분야에 속하는 스핀 트랜지스터는 기존 실리콘 전자 소자 기술을 대체할 차세대 소자로 평가받고 있고23)(Fig.
	전이금속 칼코젠 화합물은 어떤 구조를 가지고 있는가?	하지만, 층상 구조 소재이며 각 층은 이웃한 층과 반데르발스 상호작용을 갖는 2차원 반도체인 전이금속칼코젠 화합물(transition metal dichalcogenides, TMDs)은 더욱 복잡한 상전이 체계를 가진다1). 전이금속 칼코젠 화합물은 주기율표 상의 두 개의 산소족(16족) 원자 층 사이에 하나의 전이 금속 원자가 결합된 구조를 가지고 있다2). 이러한 층상 구조는 기존 3차원 소재와는 달리 전이금속칼코젠 화합물의 층 간 상호작용과 강한 스핀-궤도의 결합, 두께에 따른 격자 대칭 및 전자 상관 관계를 보이며, 이것들이 다양한 구조 및 양자 위상 전이에 중요한 역할을 한다3-5).

참고문헌 (25)

J. A. Wilson, F. J. Di Salvo and S. Mahajan, "Chargedensity waves and superlattices in the metallic layered transition metal dichalcogenides"Adv. Phys., 24 [2] 117-201 (1975).

상세보기
M. Chhowalla, H. S. Shin, G. Eda, L.-J. Li, K. P. Loh and H. Zhang. "The chemistry of two-dimensional layered transition metal dichalcogenide nanosheets"Nat. Chem., 5 263-275 (2013)

상세보기
R. Kappera, D. Voiry, S. E. Yalcin, B. Branch, G. Gupta, A. D. Mohite and M. Chhowalla, Phaseengineered low-resistance contacts for ultrathin $MoS_2$ transistors"Nat. Mater., 13 1128-1134 (2014)

상세보기
D. H. Keum, S. Cho, J. H. Kim, D.-H. Choe, H.-J. Sung, M. Kan, H. Kang, J.-Y. Hwang, S. W. Kim, H. Yang, K. J. Chang and Y. H. Lee,"Bandgap opening in few-layered monoclinic $MoTe_2$ "Nat. Phys., 11 482-486 (2015)

상세보기
S. Cho, S. Kim, J. H. Kim, J. Zhao, J. Seok, D. H. Keum, J. Baik, D.-H. Choe, K. J. Chang, K. Suenaga, S. W. Kim, Y. H. Lee and H. Yang,"Phase patterning for ohmic homojunction contact in $MoTe_2$ "Science, 349 625-628 (2015)

상세보기
S. Song, D. H. Keum, S. Cho, D. Perello, Y. Kim and Y. H. Lee, "Room Temperature Semiconductor- Metal Transition of $MoTe_2$ Thin Films Engineered by Strain"Nano Lett., 16 [1] 188-193 (2016)

상세보기
S. Kim, S. Song, J. Park, H. S. Yu, S. Cho, D. Kim, J. Baik, D.-H. Choe, K. J. Chang, Y. H. Lee, S. W. Kim and H. Yang, "Long-Range Lattice Engineering of $MoTe_2$ by a 2D Electride"Nano Lett., 17 [6] 3363- 3368 (2017)

상세보기
H. Yang, S. W. Kim, M. Chhowalla and Y. H. Lee, "Structural and quantum-state phase transitions in van der Waals layered materials" Nat. Phys. 13 931-937 (2017)

상세보기
K.-A. N. Duerloo, Y. Li and E. J. Reed, "Structural phase transitions in two-dimensional Mo- and W-dichalcogenide monolayers" Nat. Comm., 5 4214 (2014)

상세보기
X. Qian, J. Liu, L. Fu and J. Li, "Quantum spin Hall effect in two-dimensional transition metal dichalcogenides" Science, 346 1344-1347 (2014)

상세보기
J. Liu, H. Wang, C. Fang, L. Fu and X. Qian, "van der Waals stacking-induced topological phase transition in layered ternary transition metal chalcogenides" Nano Lett., 17 [1] 467-475 (2017)

상세보기
Y. Sun, S.-C. Wu, M. N. Ali, C. Felser and B. Yan, "Prediction of Weyl semimetal in orthorhombic $MoTe_2$ " Phys. Rev. B, 92 161107 (2015)

상세보기
A. Y. C. Yu, "Electron tunneling and contact resistance of metal-silicon contact barriers" Solid-State Electron, 13 239-247 (1970)

상세보기
Y. Guo, D. Sun, B. Ouyang, A. Raja, J. Song, T. F. Heinz and L. E. Brus, "Probing the Dynamics of the Metallic-to-Semiconducting Structural Phase Transformation in $MoS_2$ Crystals" Nano Lett., 15 [8] 5081-5088 (2015)

상세보기
D.-H. Choe, H.-J. Sung, and K. J. Chang, "Understanding topological phase transition in monolayer transition metal dichalcogenides" Phys. Rev. B, 83 125109 (2016).
Kane, C. L., Mele, E. J., "Quantum Spin Hall Effect in Graphene" Phys. Rev. Lett., 95 226801 (2005).

상세보기
Konig, M. et al., "Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells" Science, 318 766-770 (2007).

상세보기
J. Wunderlich et al., "Spin Hall Effect Transistor" Science, 330 1801-1804 (2010).

상세보기
D. Pesin and A. H. MacDonald, "Spintronics and pseudospintronics in graphene and topological insulators" Nat. Mater., 11 409-416 (2012).

상세보기
C. Brune et al., "Spin polarization of the quantum spin Hall edge states" Nat. Phys., 8 485-490 (2012).

상세보기
A. R. Mellnik et al., "Spin-transfer torque generated by a topological insulator" Nature, 511 449-451 (2014).

상세보기
James Lenz and Alan S. Edelstein, "Magnetic Sensors and Their Applications" IEEE Sens. J., 6 631 (2006).

상세보기
H. C. Koo, J. H. Kwon, J. Eom, J. Chang, S. H. Han, and M. Johnson, "Control of Spin Precession in a Spin-Injected Field Effect Transistor" Science, 325 1515-1518 (2009).

상세보기
Mazhar N. Ali et al., "Large, non-saturating magnetoresistance in $WTe_2$ " Nature, 514 205-210 (2014).

상세보기
Suyeon Cho et al., "Te vacancy-driven superconductivity in orthorhombic molybdenum ditelluride" 2D Mater., 4 021030 (2017).

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

2차원 소재 구조 상전이를 활용한 전자 및 양자 미래 소자 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (25)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

2차원 소재 구조 상전이를 활용한 전자 및 양자 미래 소자 원문보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (25)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

AI 본문요약
AI-Helper