[논문]1차원 무기 반도체 신 물질 재료의 연구 개발 동향

류학기

doi:10.31613/ceramist.2018.21.2.03

1차원 무기 반도체 신 물질 재료의 연구 개발 동향
One-dimensional inorgainc semiconductor materials 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.21 no.2, 2018년, pp.141 - 149

류학기 (아주대학교 신소재공학)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to overcome the problems of existing low-dimensional materials (carbon nanotubes, graphene, transition metal dichalcogenides, etc) researches on new 1D materials have been studied. In the case of $LiMo_3Se_3$ and $Mo_6S_{9-x}I_x$, continuous researches have been carried out for 3D bulk synthesis and atomic scale dispersion. Recently, quantum confinement effect of $LiMo_3Se_3$ and bio-stability of $Mo_6S_{9-x}I_x$ have been proven and various applications have started to be studied. In addition, device application results using new 1D materials such as $Sb_2Se_3$ (optoelectronic devices using the property of effectively reducing exciton decay due to no dangling bond) and $VS_4$ (electrochemical energy storage using the space between 1-D nanostructures) have been reported very importantly. Therefore, it can be claimed that it has reached a very important time to find and synthesize new 1D materials and to report various characteristics not existing.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2D 재료의 층간 결합 에너지가 반데르발스(van der Waals: vdW) 결합이나 정전 결합으로 나뉘어지는 것처럼 앞서 언급한 새로운 1D 물질들 또한 이러한 분류에 따라 분류할 수 있다(vdW 결합: Sb₂Se₃, Mo₆S_9-xI_x, VS₄, 이온 삽입에 의한 정전기 결합: LiMo₃Se₃). 본 논문에서는 새로운 1D 재료를 1D 구조가 3D구조를 형성하는 방법의 차이를 통하여 구분하고 대표적인 새로운 1D 재료를 소개하며 재료의 합성 방법과 그 응용에 대하여 소개하고자 한다.

가설 설정

(a) 현재까지 합성된 CNT의 chirality에 따른 성장 지도: distributed growth (yellow) and high purity synthesis (red). CNT의 굵기에 따른 (b) band gap and (c) quantum yield. ¹⁰⁾

제안 방법

밀봉 된 진공 석영 앰플 안에 화학양론적 조성을 맞추어 합성하는 방법을 통해 합성이 가능하며, 이 물질은 섭씨 350도 이상의 온도에서도 열적 안정성이 우수한 것으로 알려져 있다. Mo₆C_{9- x}I_x의 두 가지 화학양론적 조성에서 Mo₆S₃I₆은 상대적으로 금속성이 강하게 나타나며 전계 방출 특성 또한 우수하고, Mo₆S_4.5I_4.5의 경우에는 반도 체적 특성이 강하게 나타남을 온도에 따른 전기 전도도 분석을 통해 확인하였다. 따라서, 두 가지 화학양론이 다른 Mo₆S_9-xI_x를 효과적으로 합성하게 되면 많은 전자 응용 분야에서 다양한 활용이 가능할 것으로 기대 된다.

성능/효과

마지막으로, 1D 물질의 새로운 응용 기술이 개발되어야 한다. 본 논문에서 제안된 1D 물질은 무기물 조성으로 이루어져 1) 기존 유기분자선 대비 무기분자선, 2) 기존 유기폴리머 대비 무기폴리머 특성을 가진다. 이러한 특성을 활용하여 무기분자선 기반 소자와 무기폴리머 기반 무기/유기 혼성 물질 등의 신소자 및 신물질 설계 방법으로 영역을 확장할 필요가 있다.
이를 실현하기 위한 첫 단계로 인류는 장치 구성 요소의 실제 크기를 줄이려는 시도를 하였고, 이러한 경향은 나노 과학과 나노 기술의 탄생을 가져왔다. 그러나 나노 크기의 물질에서 나타나는 3차원 재료의 예기치 않은 물리적 현상으로 인해 분자 수준 이하의 크기로 사이즈를 줄이는 것은 불가능함을 알게 되었다. 다시 말해서, 마이크로 스케일의 전통적인 소자는 고전 물리학에 의해 설명되었고, 나노 스케일의 소자는 새로운 양자 물리학의 영향이 지배적이라고 할 수 있다.

후속연구

궁극적으로 현재 1 nm 영역에 머물러 있는 반도체 미세화를 1nm이하로 줄일 수 있는 분자전자 등의 소자분야 뿐만 아니라, “무기폴리머”의 경우 무기물이지만 깨지지 않는 세라믹 등의 소재 분야의 혁신이 기대되며, 이러한 기술은 IT 뿐만이 아니라 BT, NT, ET 등에 다양한 분야로 확장될 수 있을 것이다.
5의 경우에는 반도 체적 특성이 강하게 나타남을 온도에 따른 전기 전도도 분석을 통해 확인하였다. 따라서, 두 가지 화학양론이 다른 Mo₆S_9-xI_x를 효과적으로 합성하게 되면 많은 전자 응용 분야에서 다양한 활용이 가능할 것으로 기대 된다. ^17,18)
를 1D로 분산하여 개별 나노 와이어의 물성 및다양한 재료의 특성을 연구한 결과는 아직 보고 되지 않았지만, dangling bond가 없는 입계면에서 전자의 이동도 감소를 막아 소자의 성능 향상을 유도하는 연구 결과가 보고되기 시작하였다. 향후 관련하여 분산 및 분산 연계형 기초 소재 연구가 급속도로 진행될 것으로 보인다.
향후 새로운 1D 물질에 대한 체계적인 접근 및 연구 방향 설정이 필요하다. 우선, 1D 물질의 일반적 구조 탐색이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그래핀의 장단점은?	벌크 물질의 크기를 단순히 줄임으로써 얻는 나노 크기의 물질과는 달리, 원자 두께를 갖는 2D 물질은 종종 새로운 양자 물리적 특성과 우수한 전기적, 광학적 및 기계적 특성을 나타낸다. 몇 가지의 2D 재료 가운데 그래핀은 우수한 캐리어 이동도(~ 100,000 cm2 / V sec)를 가지지만 신뢰할 수 있는 반도체 소자에 필요한 밴드 갭을 갖지 않는 단점이 있다. 그래핀에 밴드갭을 형성시키기 위하여 그래핀 나노 리본(Graphene nano-ribbon: GNRs)을 제작하거나 그래핀의 층 수 조절 혹은 기체원자를 이용한 표면 개질 등의 방법 등이 거론 되었으나, 소자 활용이 용이한 크기의 밴드 갭(1 ~ 2 eV)를 균일하게 얻기 어려운 것으로 알려져 있다.
	구조적 불완전성으로 생기는 전하의 이동특성 저하를 해결할 수 있는 방법은?	또한 표면적/ 체적 비율이 급격히 증가하는 10 nm 미만의 크기에서는 전도성(conductivity) 및 이동성(mobility)과 같은 전하의 이동 특성이 구조적 불완전성으로 인해 심각하게 감소하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 2차원 재료 인(2-dimensional material: 2D 물질) 그래핀 및 전이 금속칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenides: TMDC)과 1차원 재료인(1-dimensional materials: 1D 물질) 탄소 나노 튜브(carbon nanotubes: CNTs)를 포함하는 저 차원 재료를 이용한 새로운 나노 소자 제작으로 패러다임을 바꾸려고 노력 해왔다.1-4)
	그래핀에 밴드갭을 형성하기 위한 방법에는 어떤 것들이 있는가?	몇 가지의 2D 재료 가운데 그래핀은 우수한 캐리어 이동도(~ 100,000 cm2 / V sec)를 가지지만 신뢰할 수 있는 반도체 소자에 필요한 밴드 갭을 갖지 않는 단점이 있다. 그래핀에 밴드갭을 형성시키기 위하여 그래핀 나노 리본(Graphene nano-ribbon: GNRs)을 제작하거나 그래핀의 층 수 조절 혹은 기체원자를 이용한 표면 개질 등의 방법 등이 거론 되었으나, 소자 활용이 용이한 크기의 밴드 갭(1 ~ 2 eV)를 균일하게 얻기 어려운 것으로 알려져 있다.5-7) TMDC 및 흑린 (Black-phosphor)과 같은 다른 2D 반도체 재료는 적절한 밴드 갭(1 ~ 2 eV)을 갖지만, 이들의 안정성 혹은 전하 이동도 등이 현재 반도체 소자로 제작되고 있는 Si, Ge, 및 GaAs 와 비교하여 제한적이며 한계가 있다.

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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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