초록 ▼

연구개요
원자 층 두께의 얇은 이차원 전이금속 칼코겐화합물 (Transition Metal Dichalchogenide; TMDC, 분자표기: MX₂) 박막은 차세대 전자 및 광전자 나노 소자로 주목을 받고 있다. 특히 대표적인 MoS₂, MoSe₂, WS₂, 그리고WSe₂들은 덩어리(bulk)의 작은 간접 밴드 갭이 단층에서 큰 직접 밴드 갭으로 변하여 트랜지스터, 광 검출기 그리고 전자 발광 소자 등에의 응용이 가능하여 많은

연구개요
원자 층 두께의 얇은 이차원 전이금속 칼코겐화합물 (Transition Metal Dichalchogenide; TMDC, 분자표기: MX₂) 박막은 차세대 전자 및 광전자 나노 소자로 주목을 받고 있다. 특히 대표적인 MoS₂, MoSe₂, WS₂, 그리고WSe₂들은 덩어리(bulk)의 작은 간접 밴드 갭이 단층에서 큰 직접 밴드 갭으로 변하여 트랜지스터, 광 검출기 그리고 전자 발광 소자 등에의 응용이 가능하여 많은 연구가 이루어지고 있다.

연구 목표는 1) 이종 2차원 단층 MX₂을 적층하여 브로드 밴드 비선형 광학 특성을 갖는 물질 탐색, 2) Valley filter/valve 구현을 위한 2D Lateral Quantum Well (양자 우물) 구조 연구이다. 연구 범위는 (1) 다양한 2차원 반도체; 단일층 (Mo,W)(S,Se)₂ 성장법 연구, (2) 단일층 (Mo,W)(S,Se)₂ 에 대한 비선형 광학적 특성 연구, (3) 이종의 단일층 MX₂를 적층한 시료에 대한 브로드 밴드 비선형 광학적 특성 연구, (4) In-plane laternal heterostructure (HS)구현을 단일층 MX₂ 성장법 연구 및 이의 특성 분석

연구 목표대비 연구결과
● 2차원 반도체; 단일층 (Mo,W)(S,Se)₂ 다양한 성장법 연구 확보
√ 전이금속산화물 환원법; CVD-grown Mo(S,Se)₂ monolayer
√ PLD를 이용 전이금속산화물 증착 후 화학적 환원법
√ MOCVD를 이용한 conformal 단일층 증착법
● 단일층 (Mo,W)(S,Se)₂에 대한 비선형 광학적 특성 연구를 통하여
√ 이차조화파(SHG)가 A/B exciton 준위에 resonant하고, 이의 계수; χ⁽²⁾ ~ 50pm/V임을 보고함.
√ S, Se 조성에 따른 χ⁽²⁾(ω)를 체계적으로 조사 보고함
● 이종의 단일층 MX₂를 적층한 시료에 대한 브로드 밴드 비선형 광학적 특성 연구를 통해 브로드밴드에 대한 균일한 χ⁽²⁾(ω)갖는 인공 비선형물질 가능성 제시
● In-plane lateral heterostructure (HS)구현하고, 동시에 각 물질의 valley에 있는 액시톤을 여기 가능성 제시를 통해 valleytronics 기반 조성

연구개발결과의 중요성
본 연구를 통해 이차원 반도체물질인 TMDCs, 특히 (Mo, W)(S,Se)₂ 단일층을 구현할 수 있는 다양한 성장법을 체계적으로 조사하였다. 특히 대면적 단일층을 연속막 형태, 조성을 조절한 단일층을 실현할 수 있을 뿐만 아니라 요철을 갖는 기판위에도 이와 같은 박막을 구현하였다. 이러한 결과는 향후 TMDCs를 응용한 다양한 광-전기소자에 응용할 수 있는 기반을 제공한 것으로 사료된다.

원자층 두께를 갖는 물질에 대한 2차 조화파비선형 계수; χ⁽²⁾(ω) 이론적인 모델을 확립하였고, 이를 바탕으로 Mo, W)(S,Se)₂ 단일층에 대한 파장 별 값 뿐만 아니라 단일층 MX₂를 수직 적층한 시료로부터 다른 MX₂의 비선형 광학 특성이 간섭없이 더하여져 χ⁽²⁾(λ)의 값이 증가할 뿐만 아니라 전반적인 SHG 스펙트럼이 넓어짐을 확인하였다. 이 결과는 broadband artificial non-linear optical material, 인공 메타물질이 가능함을 보여주는 세계 최초의 사례이다.

마지막으로 in-plane 이종접합을 구현함으로서 전자동역학에 기반하여 반도체 소자을 대체할 수 있는 차세대 밸리동역학 (valleytronics) 기반 소자에 대한 연구를 할 수 있는 기반을 확보하였다. 밸리동역하은 특정 에너지준위에 있는 전자의 위치를 운동량 공간에서 제어하여 정보의 저장 및 처리에 필요한 자유도(degree of freedom)를 확대할 수 있는 새로운 개념 혹은 기술이다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 3
• ▪ 다양한 2차원 반도체; 단일층 (Mo,W)(S,Se)2 성장법 연구 ... 3
• ▪ 단일층 (Mo,W)(S,Se)2 에 대한 비선형 광학적 특성 연구 ... 4
• ▪ 이종의 단일층 MX2를 적층한 시료에 대한 브로드 밴드비선형 광학적 특성 연구 ... 5
• ▪ In-plane laternal heterostructure (HS)구현을 단일층 MX2 성장법 연구 및 이의 특성 분석 ... 5
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 6
• 4. 참고문헌 ... 6
• 5. 연구성과 ... 6
• 끝페이지 ... 19