[국내논문]이차원 SnSe2 전자소재의 Cl 도핑에 따른 고온 전도 물성 고찰 Study on the Change of Electrical Properties of two-dimensional SnSe2 Material via Cl doping under a High Temperature Condition원문보기
Cl 불순물 도핑에 따른 $SnSe_2$ 이차원 전자소재의 고온(300~450 K) 전도 물성 변화를 고찰하였다. 고상합성법을 통하여, 도핑이 없는 $SnSe_2$ 소재와 Cl이 도핑된 $SnSe_{1.994}Cl_{0.006}$ 소재를 합성하였으며, X선 회절 실험을 통하여, 두 재료 모두 불순물 없는 단일상이 형성되었음을 확인하였다. 비저항의 온도의존성 측정을 통하여, 전기 전도 mechanism이 Cl 도핑에 의해 hopping 전도에서 축퇴 전도로의 전이가 일어남을 관찰할 수 있었으며, 홀효과 측정을 통해 그러한 전도 mechanism의 전이가, Cl의 효과적인 donor 역할에 따른 자유전자의 농도 증가에서 기인한 것임을 확인하였다. 온도에 따른 전자이동도의 변화 분석을 통하여, 도핑이 없는 $SnSe_2$의 고온 전기 전도는 grain boundary 산란이 지배적인 영향을 미치는 반도체 전도 특성을 보이는 반면, Cl 도핑에 따라 grain boundary 산란 효과가 저하되는 금속 전도 특성을 보인다는 것을 알 수 있었다.
Cl 불순물 도핑에 따른 $SnSe_2$ 이차원 전자소재의 고온(300~450 K) 전도 물성 변화를 고찰하였다. 고상합성법을 통하여, 도핑이 없는 $SnSe_2$ 소재와 Cl이 도핑된 $SnSe_{1.994}Cl_{0.006}$ 소재를 합성하였으며, X선 회절 실험을 통하여, 두 재료 모두 불순물 없는 단일상이 형성되었음을 확인하였다. 비저항의 온도의존성 측정을 통하여, 전기 전도 mechanism이 Cl 도핑에 의해 hopping 전도에서 축퇴 전도로의 전이가 일어남을 관찰할 수 있었으며, 홀효과 측정을 통해 그러한 전도 mechanism의 전이가, Cl의 효과적인 donor 역할에 따른 자유전자의 농도 증가에서 기인한 것임을 확인하였다. 온도에 따른 전자이동도의 변화 분석을 통하여, 도핑이 없는 $SnSe_2$의 고온 전기 전도는 grain boundary 산란이 지배적인 영향을 미치는 반도체 전도 특성을 보이는 반면, Cl 도핑에 따라 grain boundary 산란 효과가 저하되는 금속 전도 특성을 보인다는 것을 알 수 있었다.
We study on the change of electrical properties of two-dimensional (2D) $SnSe_2$ materials with respect to Cl doping as $SnSe_{1.994}Cl_{0.006}$ under a high temperature condition. (300~450 K) By the simple solid-state reaction method, non-and Cl-doped 2D $SnSe_2$ ma...
We study on the change of electrical properties of two-dimensional (2D) $SnSe_2$ materials with respect to Cl doping as $SnSe_{1.994}Cl_{0.006}$ under a high temperature condition. (300~450 K) By the simple solid-state reaction method, non-and Cl-doped 2D $SnSe_2$ materials are successfully synthesized with negligible impurities as confirmed by X-ray diffraction. From the temperature dependence of resistivity, it is observed that the conduction mechanism is changed from hopping to degenerate conduction with Cl doping. By Hall effect measurement, an increase on electron carrier concentration from ${\sim}7{\times}10^{16}$ to ${\sim}3{\times}10^{18}cm^{-3}$ with Cl doping verifies that Cl is an effective electron donor which results in the encouraged carrier concentration. Detailed analysis for temperature dependent Hall mobility reveals that the electrical transports in high temperature regime are governed by the grain boundary-controlled mechanism for non-doped $SnSe_2$, which is effectively suppressed by Cl-doping as entering metallic transport regime.
We study on the change of electrical properties of two-dimensional (2D) $SnSe_2$ materials with respect to Cl doping as $SnSe_{1.994}Cl_{0.006}$ under a high temperature condition. (300~450 K) By the simple solid-state reaction method, non-and Cl-doped 2D $SnSe_2$ materials are successfully synthesized with negligible impurities as confirmed by X-ray diffraction. From the temperature dependence of resistivity, it is observed that the conduction mechanism is changed from hopping to degenerate conduction with Cl doping. By Hall effect measurement, an increase on electron carrier concentration from ${\sim}7{\times}10^{16}$ to ${\sim}3{\times}10^{18}cm^{-3}$ with Cl doping verifies that Cl is an effective electron donor which results in the encouraged carrier concentration. Detailed analysis for temperature dependent Hall mobility reveals that the electrical transports in high temperature regime are governed by the grain boundary-controlled mechanism for non-doped $SnSe_2$, which is effectively suppressed by Cl-doping as entering metallic transport regime.
하지만 실질적인 전자소자가 작동하는 환경은 상온(300 K)에서 전류 열화에 의해 야기될 수 있는 고온(450 K) 영역이 될 것이며, 그러한 온도 환경 하에서의 전도 물성에 대한 심도 있는 고찰이 필요하다. 본 연구에서는 불순물이 없는 non-doped 상태의 SnSe2 및 Cl 불순물이 도핑된 SnSe2 소재의 고온 전도 물성 분석을 통해, 실질적인 소자 구동 환경 하에서의 전기 전도 물성을 결정하는 핵심 인자를 논의하고자 한다.
제안 방법
Cl 불순물 도핑에 따른 SnSe2 이차원 전자소재의 고온 영역에서의(300~450 K) 전도 물성 변화를 고찰하였다. 고상합성법을 통하여, Cl 불순물이 없는 SnSe2 소재와 Cl이 도핑된 SnSe1.
Cl 불순물이 없는 non-doped 형태의 SnSe2 소재는 위와 같은 공정을 통해, SnCl2와의 혼합을 제외하고, 역시 화학조성비에 맞추어 Sn chip과 Se grain 만의 혼합을 하여 합성하였다. Pelletizing된 소결체 형태의 샘플을 분쇄하여 분말 X선 회절실험(Powder X-ray Diffraction: PXRD, Empyrean, PANalytical)를 통해, 상형성 여부 및 불순물 존재 여부를 확인하였으며, 소결체 샘플의 가공(10 × 10 × 1 mm3)을 통하여 온도에 따른 전기 전도 물성을 측정하였다. 온도에 따른 전기전도도(electrical conductivity, σ), 전하농도(carrier concentration, Ne) 및 홀전하 이동도(Hall mobility, μH)는 온도 가변형 van der Pauw법 측정장비를 통해 측정하였으며(HMS-5300, Ecopia), Ag paste 전극 도포 및 후열처리 공정(200℃, 10분)을 통한 ohmic contact의 형성을 전류-전압(current-voltage) 특성 곡선을 통해 확인하였다.
Pelletizing된 소결체 형태의 샘플을 분쇄하여 분말 X선 회절실험(Powder X-ray Diffraction: PXRD, Empyrean, PANalytical)를 통해, 상형성 여부 및 불순물 존재 여부를 확인하였으며, 소결체 샘플의 가공(10 × 10 × 1 mm3)을 통하여 온도에 따른 전기 전도 물성을 측정하였다. 온도에 따른 전기전도도(electrical conductivity, σ), 전하농도(carrier concentration, Ne) 및 홀전하 이동도(Hall mobility, μH)는 온도 가변형 van der Pauw법 측정장비를 통해 측정하였으며(HMS-5300, Ecopia), Ag paste 전극 도포 및 후열처리 공정(200℃, 10분)을 통한 ohmic contact의 형성을 전류-전압(current-voltage) 특성 곡선을 통해 확인하였다.
대상 데이터
Cl 불순물이 치환형으로 도핑된 SnSe2 소재를 고상합성법(solid-state reaction)을 통하여 합성하였다. Chip 형태의 Sn(4N, RND Korea)과 분말형태의 무수화(anhydrous) SnCl2(4N5, RND Korea) 원조성을(1.
이론/모형
Cl 도핑에 따른 SnSe2 이차원 소재의 반도체에서의 금속성으로의 전이가 일어난 원인을 분석하기 위하여, van der Pauw 법을 통해 Hall effect 측정을 수행하였다. Fig.
성능/효과
006 소재를 소결체 형태로 합성하였으며, PXRD 분석을 통해, 두 소재 모두 불순물 없는 P-3m1 space group의 hexagonal 층상구조 결정상이 형성되었음을 확인하였다. σ와 ρ의 온도의존성 측정을 통하여, 전기전도 mechanism이 Cl 도핑에 따라 반도체 전도에서 금속 전도로의 전이가 일어남을 관찰할 수 있었으며, 홀효과 측정을 통해 그러한 전도 mechanism의 전이가, Cl이 효과적인 donor 역할에 따른 자유전자의 농도 증가에서 기인한 것임을 확인하였다. 온도에 따른 전자이동도의 변화 분석을 통하여, 도핑이 되지 않은 SnSe2의 전기 전도는 grain boundary 산란이 지배적인 영향을 미치는 것으로 확인 되었으며, 그러한 산란 효과가 Cl 도핑을 통해 금속 전도 전이와 함께 효과적으로 억제되는 것을 알 수 있었다.
σ와 ρ의 온도의존성 측정을 통하여, 전기전도 mechanism이 Cl 도핑에 따라 반도체 전도에서 금속 전도로의 전이가 일어남을 관찰할 수 있었으며, 홀효과 측정을 통해 그러한 전도 mechanism의 전이가, Cl이 효과적인 donor 역할에 따른 자유전자의 농도 증가에서 기인한 것임을 확인하였다. 온도에 따른 전자이동도의 변화 분석을 통하여, 도핑이 되지 않은 SnSe2의 전기 전도는 grain boundary 산란이 지배적인 영향을 미치는 것으로 확인 되었으며, 그러한 산란 효과가 Cl 도핑을 통해 금속 전도 전이와 함께 효과적으로 억제되는 것을 알 수 있었다.
이차원 전자소재의 고온 영역에서의(300~450 K) 전도 물성 변화를 고찰하였다. 고상합성법을 통하여, Cl 불순물이 없는 SnSe2 소재와 Cl이 도핑된 SnSe1.994Cl0.006 소재를 소결체 형태로 합성하였으며, PXRD 분석을 통해, 두 소재 모두 불순물 없는 P-3m1 space group의 hexagonal 층상구조 결정상이 형성되었음을 확인하였다. σ와 ρ의 온도의존성 측정을 통하여, 전기전도 mechanism이 Cl 도핑에 따라 반도체 전도에서 금속 전도로의 전이가 일어남을 관찰할 수 있었으며, 홀효과 측정을 통해 그러한 전도 mechanism의 전이가, Cl이 효과적인 donor 역할에 따른 자유전자의 농도 증가에서 기인한 것임을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TMD 소재의 장점은?
3-6) 특히 Nano-sheet화에 따라서 벌크 상태와 상이한 물리적, 화학적, 기계적 특성들이 발현됨으로써, 기존 소재들이 갖고 있던 물성의 근원적인 한계를 극복할 수 있는 신소재군으로 주목 받고 있으며, Graphene과 유사한 비대칭적인 약한 van der Waals 결합을 갖는 transition metal dichalcogenide(TMD) 등의 소재군 역시 근래에 들어 집중적으로 연구가 되어오고 있다.3-6) Graphene과 달리 유한한 band-gap을 갖는 TMD 소재의 경우, 다이오드, 트랜지스터와 같은 능동형 소자의 구현이 가능함과 동시에, 고이동도의 이차원 전하 전도가 용이하다는 면에서, 기존의 Si을 대체할 수 있는 차세대 전자소재로서 가능성을 보이고 있으며, 다양한 형태의 응용 광소자 및 논리회로로의 구현 가능성 역시 여러 연구진들을 통해 보고되어오고 있다.3-6)
이차원 전자소재들이 전도물성의 제어가 어려웠던 이유는?
실질적인 전자소재로의 응용을 위해서는, 기존의 Si 소재가 그러하였듯이, 단일 모조성(parent material) 안에서 부도체/반도체/전도체의 전기적 물성을 광범위한 범위로 제어할 수 있는 소재기술이 핵심적이나,7) 현재까지의 이차원 전자소재들은 구성 원소들의 근본적인 전하 국소화(carrier localization) 특성이 강한 연유로, 효과적인 전도물성의 제어가 어려웠다.8,9) 특히 화학적인 치환형(substitutional) 도핑에 따라 전자(electron) 혹은 홀(hole) 전하(carrier)를 상대적으로 저가의 공정을 통해 정량적으로 제어가 가능하였던 Si에 비해, Graphene 혹은 TMD 등의 이차원 전자소재의 경우, 치환형 도핑에 대한 합성 및 전도 물성에 대한 연구가 상대적으로 미비하였으며, 그러한 치환형 도핑이 극대화될 수 있는 소재 설계 전략 역시 부재한 상황이다.
Graphene이 주목 받는 이유는?
단원자층의 Graphene의 성공적인 구현 이후,1,2) 새로운 이차원 소재(2D materials)들에 대한 연구가 각광을 받고 있다.3-6) 특히 Nano-sheet화에 따라서 벌크 상태와 상이한 물리적, 화학적, 기계적 특성들이 발현됨으로써, 기존 소재들이 갖고 있던 물성의 근원적인 한계를 극복할 수 있는 신소재군으로 주목 받고 있으며, Graphene과 유사한 비대칭적인 약한 van der Waals 결합을 갖는 transition metal dichalcogenide(TMD) 등의 소재군 역시 근래에 들어 집중적으로 연구가 되어오고 있다.3-6) Graphene과 달리 유한한 band-gap을 갖는 TMD 소재의 경우, 다이오드, 트랜지스터와 같은 능동형 소자의 구현이 가능함과 동시에, 고이동도의 이차원 전하 전도가 용이하다는 면에서, 기존의 Si을 대체할 수 있는 차세대 전자소재로서 가능성을 보이고 있으며, 다양한 형태의 응용 광소자 및 논리회로로의 구현 가능성 역시 여러 연구진들을 통해 보고되어오고 있다.
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