[보고서]새로운 2차원 반데르발스 층상구조 반도체인 금속칼코겐 화합물의 전자구조 연구

김한철

[국가R&D연구보고서] 새로운 2차원 반데르발스 층상구조 반도체인 금속칼코겐 화합물의 전자구조 연구
Electronic Structure of New Two-Dimensional Van der Waals Layered Semmiconductors, Metal Mono-Chalcogenides 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	숙명여자대학교
연구책임자	김한철
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2018-05
과제시작연도	2017
주관부처	과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT
연구관리전문기관	한국연구재단 National Research Foundation of Korea
등록번호	TRKO201900022778
과제고유번호	1711052233
사업명	개인기초연구(미래부)
DB 구축일자	2020-07-29
키워드	금속 칼코겐 화합물.2차원 층상구조 반도체.전자구조.결함.밴드 갭.이종접합.제일원리계산.스트레인.

초록 ▼

□ 연구개요
III족-금속 칼코겐 화합물 반도체 (MMC)는 ~2eV 정도의 밴드갭을 보이는 2차원 vdW 층상 구조 반도체로서, 다양한 물질군을 지니고 있을 뿐만 아니라, 실리콘 이후의 차세대 반도체 소자 개발을 위한 소재로서 향후 많은 연구의 대상이 될 것으로 기대되는 물질이다. MMC에 대한 연구는 매우 초기단계이다. MMC bulk 및 단일층의 기초 물성 (전자구조, 결함, 도핑 특성, 금속 접합, 밴드 갭 엔지니어링, 이종 접합 등)에 대한 양자역학적인 이론 계산을 수행하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
Gd-doped Bi₂Te₃의 전자구조 및 STM image 연구
-Gd 원자가 Bi에 치환되었을 때 전자구조, 스핀구조, 자기적 특성규명.
-STM image simulation을 통해 Gd-doped Bi₂Te₃ 샘플의 안정한 결함 규명.
MoS₂와 MoTe₂의 intrinsic 또는 extrinsic dopants 연구
-MoS₂의 Re 및 Nb dopant에 대한 에너지 안정성 및 defect level 규명.
-MoTe₂의 intrinsic defects, O, Au dopant에 대한 형성에너지 규명.
MMC 물질군에 대한 구조최적화 및 band alinement 연구
-반데르발스 상호작용을 기술하는 다양한 계산 기법을 통해 가장 잘 기술하는 계산 방법 결정 후 MMC 물질군의 최적화된 격자상수 확보. 단일층간 에너지 규명.
-MMC 물질군의 band alinement 규명
GaS의 기본물성 연구
- GaS 단일층의 stacking 및 thickness에 대한 에너지 안정성 및 전자구조 규명.
- GaS의 단일층, 4개층, 및 bulk의 전자구조 규명
-Vacancy defects의 안정한 구조 및 형성에너지 규명.
GaSe의 extrinsic doponts 연구
-Alkali metals의 흡착에너지, 전자구조, 및 확산거동 규명.
-W 원자 치환에 대한 에너지 안정성, 전자구조 규명.
InSe의 기본물성 연구
-InSe의 strain에 따른 전자구조 규명
-InSe의 vacancy defects 에너지 및 전자구조 규명
-n(Sn, Br)- 및 p(Mg, As)- type dopants의 에너지 및 전자구조 규명
Ga/InSe 금속합금의 밴드갭 엔지니어링 연구
-다양한 Ga/InSe alloying의 에너지 안정성 및 밴드갭 규명
GaSe/InS 단일층의 수평 이종접합 구조 연구
-다양한 접합구조를 이용한 에너지 안정성 및 전자구조 규명

□ 연구개발결과의 중요성
기존에 연구되어온 2차원 물질들인 전이금속 칼코겐 화합물, 위상절연체 등과는 다른 새로운 2차원 반데르발스 층상구조 반도체의 여러 가지 기초 물성에 대해 세세하고 체계적으로 연구를 수행해서 세계 최고 수준의 연구 성과를 도출하였다. 이를 통해 새로운 차세대 반도체 소재 연구 분야를 개척할 수 있을 것으로 기대된다. 더 나아가 차세대 반도체 소자 기술 개발을 위한 이론적인 토대를 마련할 수 있을 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

표지 ... 1
연구결과 요약문 ... 2
목차 ... 3
1. 연구개발과제의 개요 ... 4
(1) 연구의 필요성 ... 4
(2) 연구범위 및 최종 목표 ... 4
2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
(1) Gd doped topological insulator Bi2Te3 ... 5
(2) Re and Nb dopants in MoS2 ... 6
(3) MoTe2의 intrinsic 및 extrinsic defects (Au, O) ... 7
(4) MMC 물질군의 구조 계산 및 band alinement ... 8
(5) GaS의 단일 층의 stacking, thickness 변화 ... 10
(6) GaS 단일 층, 2TL, bulk의 전자구조 ... 11
(7) GaS vacancy defects ... 12
(8) GaSe의 알칼리메탈 (Li, Na, K) 흡착 및 확산 거동 ... 13
(9) GaSe의 W 치환 ... 14
(10) InSe의 strain에 대한 변화 ... 15
(11) InSe 단일 층의 vacancy defects ... 16
(12) InSe 단일 층의 n-type dopant: Sn, Br ... 17
(13) InSe 단일 층의 p-type dopant: Mg, As ... 17
(14) Ga/InSe metal alloying : band gap engineering ... 18
(15) GaSe/InS 단일층의 수평이종접합 구조 연구 ... 19
3. 연구개발결과의 중요성 ... 20
4. 참고문헌 ... 21
5. 연구성과 ... 22
대표적 연구실적 ... 25
끝페이지 ... 28

표/그림 (23)

표 (a) Atomic structure of Gd substituted for the first Bi atomic layer. Blue, magenta, and yellow balls are Gd, Bi, and Te atoms, respectively. (b) The total energy and (c) energy gap of single GdBi with various height below the surface. Band structure of dimer (interatomic distance: 4.3Å) with (d) FM and (e) AFM ordering. Band structure of dimer (interatomic distance: 4.5Å) with (f) FM and (g) AFM ordering
표 Experimental and simulated STM images of x=0.15 before and after annealing. (a) Empty-state STM image of the as-grown single crystal. The defects α and β are related with Gd. (b) and (c) Filled- and empty-state STM images after annealing. (d) Schematic atomic structure of pristine Bi2Te3: top (upper) and side (lower) view. Experimental STM images (upper), atomic structures (middle), and simulated STM images (lower) for (e) α, (f) β, and (g) γ defects
표 (a) Calculated formation energies of ReMo and NbMo in the neutral and singly charged states of ML-MoS2 (thick lines) and bulk 2H-MoS2 (thin lines) as a function of the Fermi level (EF). Local electronic densities of states of ReMo (red) and NbMo (blue) in (b) ML-MoS2 and (c) bulk 2H-MoS2
표 Defect 높이와 평면상 위치. 하늘색 네모로 구분 지었다
표 Formation energy (a) intrinsic defect systems (b) Au defect systems (c) O defect systems
표 Most stable configurations of (a) intrinsic defects, (b) Au defect, and (c) O defects
표 MMC 중 하나인 InSe의 (a)상태방정식 그래프 (b)결합에너지 곡선 (c) 전자밀도차이. (a) 부피와 에너지의 관계로 나타낸 상태방정식 그래프. PBE-D2(빨간 곡선)가 실험값(회색 새로선)과 가장 비슷하다. (b) PBE-D2와 LDA를 이용해 층간거리에 따른 에너지로 나타낸 결합에너지 곡선. (c) 위층과 아래층이 따로 있을 때와 같이 있을 때의 전자밀도 차이. 초록색이 양의 값이고, 분홍색이 음의 값이다. vdW gap 근처에 있는 Se 주위의 전자들이 vdW gap사이로 모인 것을 볼 수 있다
표 MMC 단일층의 band edge energy level and work function. 초록색 막대는 valence band와 conduction band를 나타내며 빨간색 선을 work function을 나타낸다
표 (a) GaS의 top view. 빨간색 사각형은 conventional unit cell을 나타낸다. (b) (왼쪽) ε stacking sequence를 설명하는 그림, (오른쪽) ε stacking 했을 때의 top view. (c) (왼쪽) β stacking sequence를 설명하는 그림, (오른쪽) β stacking 했을 때의 top view. 파란색 및 노란색은 각각 S, Ga 원자이다
표 GaS 단일층의 에너지 밴드구조와 상태밀도. (a) 에너지 밴드구조. Band IV와 V, VI 와 VII는 각각 two-fold degeneracy가 있다. 2.58eV의 indirect band gap와 각 band의 main orbital character를 표시하였다. Inset은 Brillouin zone과 high symmetry k-point들을 나타낸다. (b) 왼쪽부터 total DOS와 Ga의 PDOS, S의 PDOS
표 (a)-(c) Ga vacancy, (d)-(f)는 S vacancy. (g) VGa (초록색), VGa-in (파란색), VS (빨간색)의 chemical potential에 따른 formation energy
표 4x4 supercell에서 한개의 흡착 원자가 TGa에서 H로 갈때의 kinetic energy barrier graph
표 두 개의 흡착 원자가 존재할 때의 energy barrier와 구조들. (a) 각 구조들 사이의 barrier energy graph (b) A-H0H1의 구조 (c) H0T2의 구조 (d) H0H2의 구조 (e) H0T4의 구조
표 (a) atomic structure, (b) electronic structure, (c) crystal field splitting, and (d) charge density for WGa
표 (a) Atomic structure and (b) Brillouin zone. Strain에 따른 VBM과 CBM의 변화: (c) biaxial and (d) uniaxial strain
표 VSe의 구조 및 전자 특성. (a) VSe의 top view (위) 및 side view (아래) (b) 및 (c)는 각각 확대 된 top view와 side view이다. (d) 전자 밴드 구조. 결함 상태는 빨간색 선으로, 페르미 레벨은 녹색 선으로 표시. (e) 가장 낮은 결함 상태의 |Ψnk(x)|2 Isosurface. (f) 두 개의 높은 에너지 결함 상태에 대한 |Ψnk(x)|2 Isosurface
표 VSe의 다양한 전하된 상태의 formation energy. 전자의 chemical potential이 VBM과 CBM 사이에 존재할 때 (1+)와 (0)의 전하된 상태가 안정하다
표 (a) Sn을 도핑한 구조와 (b) Br을 도핑한 구조의 band structure와 TDOS
표 GaSe, GaSe, InSe ML에 Mg과 As을 도핑했을 때 전자구조와 부분전하밀도
표 (a) Atomic structure, (b) 치환 가능한 dimer 형태 (c) x에 따른 lattice constant a, (d) x에 따른 band gap
표 수평이종접합 구조의 모델링. (a) Z1b, (b) Z2b, (c) AI, (d) AM 구조. 초록색, 파랑색, 갈색, 주황색 원자는 각각 Ga, In, Se, S를 나타낸다
표 GaSe:InS 비율에 따른 구조들의 formation energy. 단위는 eV이다
표 GaSe:InS 비율 4:4의 계면 구조 Z1b에서의 PDOS. 초록색, 파랑색, 갈색, 주황색 선은 각각 Ga, In, Se, S의 PDOS이다

참고문헌 (25)

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