초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
새로운 반도체 소재 시스템으로 각광을 받는 2차원 층상물질 기반 반도체 소재의 실제적인 소자 응용을 위해서는 3차원 금속, 반도체, 절연체 등과의 접합구조 제작이 필수적임. 2차원 반도체 소재를 위한 전극은 3차원 구조의 금속을 필연적으로 사용하며, 2차원 반도체의 여러 공정은 다른 3차원 반도체 및 절연체 위에 올라가 있는 상태에서 진행하게 됨. 이에 2차원 소재와 기존 3차원 금속 및 반도체와의 계면 및 접합 구조는 실제 소자의 성능 및 안정성에 있어 매우 중요한 부분이라 할 수

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
새로운 반도체 소재 시스템으로 각광을 받는 2차원 층상물질 기반 반도체 소재의 실제적인 소자 응용을 위해서는 3차원 금속, 반도체, 절연체 등과의 접합구조 제작이 필수적임. 2차원 반도체 소재를 위한 전극은 3차원 구조의 금속을 필연적으로 사용하며, 2차원 반도체의 여러 공정은 다른 3차원 반도체 및 절연체 위에 올라가 있는 상태에서 진행하게 됨. 이에 2차원 소재와 기존 3차원 금속 및 반도체와의 계면 및 접합 구조는 실제 소자의 성능 및 안정성에 있어 매우 중요한 부분이라 할 수 있음. 본 연구에서는 다양한 2차원 반도체 물질 표면에 증착된 금속과 반도체의 계면 구조 분석 및 전기/광학적 특성을 연구할 계획임. 특히, 단일원소로 이루어진 2차원 반도체인 흑린을 중심으로 여러 2차원 물질 위에 증착된 금속과 반도체 박막의 원자 단위 계면 구조 분석 및 계면 특성 연구를 통해 2차원 물질 표면 위 금속 및 반도체의 에피텍시를 포함한 성장 메커니즘을 밝혀낼 것을 목표로 함. 이와 더불어 2차원 소재의 표면 상태 및 표면 처리에 따른 박막 구조 변화 및 계면 특성 변화를 면밀히 관찰할 예정임. 이를 통하여 2차원 반도체 물질과 금속/반도체의 계면 제어 방법을 개발하여, 실제 소자 응용으로의 적용을 목표로 함.

◼ 전체 내용
◇ 고품질 흑린 및 2차원 층상 물질 시편 제작
2차원 물질 고유의 특성을 이용하기 위해서는 매우 얇은 두께의 시편을 얻는 것이 필수적임. 그래핀을 비롯한 반데르발스 물질 시편 제작법인 기계적 박리(mechanical exfoliation)를 통해 가능하며, 몇몇 2차원 물질들은 화학적 합성법을 통해 층수를 조절하는 시편을 얻을 수 있음. 흑린의 경우 공기 노출 시 산화되는 특성이 있어, 시편 준비는 산소 및 수분 농도가 0.1 ppm 이하인 글러브 박스 내에서 이루어질 예정임. 또한, 본 연구자가 개발한 광학 투과도를 이용한 흑린의 두께 측정법을 이용하여, 매우 얇은 두께의 흑린 시편을 공기 노출 없이 준비할 예정임. 시편 제작 과정에서 발생할 수 있는 PDMS 및 polymer 잔여물들이 표면에 주는 영향을 최소화하기 위해서, UV-ozone 처리 된 PDMS 이용 및 추가적인 열처리를 통한 매우 깨끗한 표면의 2차원 시편을 준비할 예정임.
◇ 흑린을 포함한 2차원 물질 위 금속 물질 성장
2차원 물질 위 다양한 금속 물질을 물리적 흡착 방법 을 통해 성장할 예정임. 열증착법, 전자 빔 증착법, 스퍼터링 등 다양한 증착 장비를 이용하여 증착 방법에 따른 성장된 금속 물질의 구조 및 계면 구조를 관찰할 예정임. 금속 원자의 2차원 물질 위에서의 확산 속도 조절에 따라 성장 거동이 달라질 것으로 예상되어 증착 속도, 온도 조절에 따른 성장 거동 및 계면 구조의 변화를 연구할 예정임. 다양한 공정 조건 변화를 통해 궁극적으로 에피텍시 성장을 유도할 계획임.
◇ 투과전자현미경을 이용한 원자 단위 계면 정밀 분석
계면의 원자 단위의 구조 분석을 직접적으로 관찰하기 위해서는 고분해능 투과전자현미경의 사용이 필수적임. 본 연구에서는 저 가속전압 고분해능 수차보정 투과전자현미경을 이용해 원자단위에서의 구조 관찰을 진행할 예정임. 계면에서 발생할 수 있는 원자 재배열 현상과 스트레인 분포등에 대한 분석도 진행할 예정임. 이와 더불어 투과전자현미경 내에서 전자에너지 손실 분광법, 특성 x-ray 분광법을 이용하여 계면 구조의 전자 및 화학 상태, 밴드갭 그리고 성분 분석을 통해 접합 계면의 특성을 정밀하게 분석할 예정임. 투과전자현미경 분석을 진행하기 위해서는 깨끗한 계면을 유지하는 투과전자현미경 시편이 필요함. 본 연구에서는 공초점 이온빔을 이용해 계면 분석을 위한 투과전자현미경 시편 제작을 진행할 예정임. 시편 준비 과정에서 발생할 수 있는 시편 손상을 최소화하기 위한 공정을 개발할 예정임.
◇ 계면 제어 된 2차원 물질 소자 제작 및 평가
2차원 물질과 금속 사이의 계면 제어를 진행한 이후 소자 제작을 하여 전기/광학적 성질을 탐구할 계획임. 2차원 물질과 금속의 계면 조절에 따른 접촉 저항 및 전기 전도도 변화를 측정할 예정임. 또한, In-situ TEM을 활용하여, 온도 변화에 따른 계면의 구조 변화와 전기적 특성의 변화를 실시간으로 측정하여, 실제 소자에서 발생할 수 있는 열화 현상에 대해서도 탐구할 예정임.

◼ 1단계
❏ 연구 목표
◇ 고품질의 흑린 및 2차원 소재 시편 제작
◇ 2차원 소재 표면 처리에 따른 성질 분석
◇ 흑린을 포함한 2차원 물질 위 증착된 금속 박막 구조 분석
◇ 증착 방법에 따른 금속 박막 구조 연구
◇ 2차원 흑린/금속 박막의 소자 제작 및 특성 평가
◇ 2차원 물질 위 금속 산화물 및 반도체 구조 제작 및 분석
❏ 연구 내용
◇ Pristine 표면 상태를 유지하는 고품질의 흑린 및 2차원 소재 시편 제작
◇ 시편 제작 방법에 따른 표면 화학적 상태 분석
◇ 플라즈마, 반도체 공정 처리 프로세스에 따른 2차원 소재 표면 변화 분석
◇ Physical evaporation, ALD 등 다양한 증착 방법에 따른 금속 박막 성장
◇ 2차원 물질 표면 처리에 의한 금속 박막 성장
◇ 수차보정 투과전자현미경을 이용한 원자 단위 구조,결함, 계면 정밀 분석
◇ 에피텍시 성장을 보이는 금속 종류 분류
◇ 2차원 물질 위 금속 산화물 및 반도체 물질 성장
◇ 흑린/금속 박막 구조를 이용한 적층 전자소자 제작 및 특성 분석
◇ 금속 박막의 구조에 따른 소자 특성 변화 관찰
◇ DFT 계산을 통한 에피텍시 성장 거동 및 접합 구조의 밴드 구조 이해

◼ 2단계
❏ 연구 목표
◇ 2차원 물질 위 금속 산화물 및 반도체 구조 소자 제작 및 특성 평가
◇ 2차원 반도체 이종 접합 구조 제작 및 계면 분석
◇ In-situ TEM을 이용한 온도 변화에 따른 구조 변화 및 특성 변화 관찰
◇ 2차원 반도체 이종 접합 구조의 계면 재구성 및 특성 평가
❏ 연구 내용
◇ 2차원 물질 위 금속 산화물 및 반도체 구조 소자 제작
◇ 소자의 안정성 및 전기적 특성 평가
◇ DFT 계산을 통한 밴드 구조 및 특성 이해
◇ 2차원 반도체 물질 기반 이종 수직 접합 구조 제작
◇ 고품질의 계면 상태를 갖는 시편 제작 방법 개발
◇ 금속, 무기물, 유기물 /2차원 반도체 등 다양한 구조물 제작
◇ In-situ TEM을 이용한 온도 변화에 따른 물질 상전이 현상 관찰 및 이에 따른 전기적 특성 실시간 측정
◇ 2차원 물질 적층 각도 변화에 따른 계면 재구성 현상 관찰 및 제어
◇ 계면 재구성 된 2차원 물질 이종 접합 구조 소자 제작 및 특성 평가

□ 연구성과
◆ 1단계 연구기간 (2021~2023) 정성적 연구성과
1단계 연구기간 동안 총 13편의 SCI 논문을 게재하였음. 이 중 주저자 및 교신저자로 5편을 게재하였으며, 다른 그룹과의 공동 연구를 통한 공저자로 8편을 게재하였음. 해당 연구 기간 동안 흑린을 포함하여 다양한 2차원 물질에 대한 실험 연구를 수행함으로써, 고품질의 2차원 샘플 준비, 수차보정 투과전자현미경을 이용한 원자 단위 구조 분석에 대한 기술력을 확보할 수 있었음. 이를 통해 매우 깨끗한 표면을 갖는 2차원 흑린 위에 다양한 금속/ 유기물/ 반도체 물질을 성장 할 수 있었으며, 다양한 공정 조건에 따른 성장 거동 및 특성 평가를 위한 소자 제작을 진행할 수 있었음. 또한, 수차보정 투과전자현미경을 이용한 원자 단위에서의 분석 기법을 진행하는 과정에서, 이종접합 구조의 계면 관찰을 위한 시편제작의 중요성과 계면에서의 원자 단위 구조 관찰, 원자 변형 등에 대한 연구를 수행할 수 있었음.
1단계 연구기간 동안 얻은 연구결과 및 연구 노하우를 통하여, 2단계에서는 보다 심화된 연구를 진행하고자 함.

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과
◇ 학문적 파급력
2차원 반도체를 위한 전극은 3차원 구조의 기존 금속을 필연적으로 사용해야하며, 이와 더불어 여러 공정을 위해 2차원 반도체는 다른 3차원 반도체 및 절연체 위에 올라가 계면을 형성해야 함. 이에 2차원 소재와 기존 3차원 금속 및 반도체와의 계면 및 접합 구조는 실제 소자의 성능 및 안정성에 있어 매우 중요한 부분이라 할 수 있음. 본 연구를 통해 2차원 반도체 위에 안정적으로 동작하는 전극 및 반도체 계면을 형성하는 방법에 대한 근본적인 이해도를 높이는 데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대됨.
◇ 활용범위
2차원 반도체는 새로운 반도체 소재로서 광소자, 화학적/생물학적 센서 및 휘어지는 트랜지스터 등으로의 응용 가능성이 매우 큼. 실제 응용을 위해서는 전극 및 다른 물질과의 안정적이고 효율적인 계면 형성에 대한 연구가 선행 되어야 하며, 본 연구는 2차원 반도체 소자의 효율과 안정성에 대한 기초연구로 실제 응용을 위한 중요한 디딤돌이 될 것이라 생각함.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 6
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 12
• 1) 연구수행 결과 ... 12
• 2) 목표 달성 수준 ... 12
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 13
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 13
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 14
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 14
• 2) 연구 추진전략 ... 14
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 15
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 15
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 15
• 끝페이지 ... 38