초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
• 최종 목표
본 연구에서는 2차원 물질 중 하나인 단일 층 두께의 포스포린 시편을 준비하고, 고 분해능 저전압 수차보정 투과전자현미경을 이용하여 원자 수준의 구조 분석을 진행하고자 한다. 특히, 단일 층 포스포린에서 발생하는 원자 결함 및 모서리 구조를 직접적으로 관찰하여 결함 구조의 발생 원인과 변화 그리고 물리적 특성 변화에 대해 탐구하고자 한다.
• 전체 내용
1. 단일 층 포스포린의 원자 결함 구조 연구의 필요성
흑린의 독특한 주름진 구조에 기인한 물리적 특성에 관한 연

□ 연구개발 목표 및 내용
• 최종 목표
본 연구에서는 2차원 물질 중 하나인 단일 층 두께의 포스포린 시편을 준비하고, 고 분해능 저전압 수차보정 투과전자현미경을 이용하여 원자 수준의 구조 분석을 진행하고자 한다. 특히, 단일 층 포스포린에서 발생하는 원자 결함 및 모서리 구조를 직접적으로 관찰하여 결함 구조의 발생 원인과 변화 그리고 물리적 특성 변화에 대해 탐구하고자 한다.
• 전체 내용
1. 단일 층 포스포린의 원자 결함 구조 연구의 필요성
흑린의 독특한 주름진 구조에 기인한 물리적 특성에 관한 연구들이 많이 진행되어 왔으나 지금까지 보고된 연구들은 다층(multi-layer)의 흑린 시편에서 연구된 결과임. 포스포린의 연구에 있어서 가장 큰 어려움은, 공기 노출된 포스포린 시편에서 수분 및 산소와의 반응성으로 인한 시편의 산화 문제가 고품질의 포스포린 시편 제작의 어려움으로 남아있음. 특히, 투과전자현미경을 이용한 원자 구조 분석을 정밀하게 진행하기 위해서는, 고품질의 시편 제작과 정확한 두께를 알고 있어야함. 따라서 기존에 진행되어 왔던 보편적인 시편 제작방법이 아닌, 새로운 방법의 시편 제작 방법이 필요함.
몇몇 실험그룹에서 레이저, 플라즈마, 열처리를 통하여 단일 층 포스포린의 전기적 특성, 광학적 특성에 대해서 보고 하였으나, 직접적인 원자 구조 관찰은 진행하지 못하였음. 또한, 단일 층 포스포린의 원자 결함 구조에 기인하는 물리적 특성 변화는 현재까지 이론적 계산결과로만 보고되고 있음. 이와 더불어, 포스포린에서 발생하는 결함의 종류 (원자 단위 결함, 모서리 구조 등) 및 발생 과정 그리고 물성 변화에 대한 이론 및 계산 연구들은 지속적으로 보고되고 있으나, 실험적 관찰은 이루어지지 않음. 따라서 아직까지 원자 수준 관찰에 대한 연구가 부족한 점과 포스포린의 정확한 물성에 대한 이해를 위해 직접적인 원자 구조 및 결함 관찰이 매우 필요함.
2. 연구 추진전략 및 방법
◇ 고품질 포스포린 시편 제작
- 흑린은 공기 노출 시 산화되는 특성이 있어, 시편준비는 산소 및 수분농도가 0.1ppm 이하인 글러브 박스 내에서 이루어질 예정임.
- 투과전자현미경 관찰 및 해석에 있어, 시편의 두께는 매우 중요한 변수 중 하나임. 따라서 제작하는 시편의 두께를 측정하기 위해 광학현미경의 투과모드를 이용하여 시편의 공기 노출 없이 두께 측정을 진행할 예정임. 준비하는 시편은 3장 내외의 두께로 준비할 예정임.
- 포스포린의 경우 전자빔에 대한 안정성이 매우 낮은 편임. 전자빔에 의한 시편 손상 방지를 위하여 그래핀을 보호막으로 이용할 예정임. 이를 위해 PDMS 필름을 이용한 전사방법을 이용하여 준비할 예정이며, 최종적인 시편의 구조는 포스포린/흑린의 헤테로 구조를 제작할 예정임.
◇ 투과전자현미경을 이용한 원자 단위 구조 분석
- 원자 단위의 구조 분석을 직접적으로 관찰하기 위해서는 고분해능 투과전자현미경의 사용이 필수적임. 본 연구에서는 저 가속전압 고분 해능 수차보정 투과전자현미경(Low-kV aberration-corrected TEM)을 이용해 원자단위에서의 구조 관찰을 진행할 예정임.
- 전자빔을 이용하는 경우 흑린 시편의 두께 제어가 가능함. 본 연구에서는 3장 내외의 포스포린/그래핀 구조의 시편에 전자빔을 이용해 단일 층의 포스포린을 제작함과 동시에 원자 수준의 이미징을 진행할 예정임.
- 투과전자현미경을 통하여 관찰한 원자 구조, 모서리 구조, 원자 수준 결함 구조를 분석하기 위하여, 제1원리 계산을 통한 원자구조 모델링을 진행할 예정임. 계산된 결과를 통한 원자 모델을 기반으로 이미지 시뮬레이션을 진행하여, 실제 관찰된 결과와 비교를 진행하여 원자 수준 결함에 대한 해석을 진행할 예정임.

□ 연구개발성과
SCI 논문 1편 게재: ACS Applied Materials & Interfaces, (2021)

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
본 연구를 통하여 획득한, 공기 노출에 민감한 2차원 물질의 시편 제작 방법 및 투과전자현미경을 이용한 구조분석 방법을 기반으로 다른 물질들의 구조 분석 연구에 이용이 가능할 것으로 예상됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 7
• 1) 연구수행 결과 ... 7
• 2) 목표 달성 수준 ... 7
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 8
• 5. 연구개발성과 및 활용 계획 ... 8
• 1) 연구성과 ... 8
• 2) 연구성과 활용계획 ... 9
• 6. 참고문헌 ... 9
• 끝페이지 ... 9