호주 RMIT 대학(RMIT University)의 연구진은 삼산화몰리브덴(molybdenum trioxide, MoO3)의 벌크 결정을 만들 수 있는 저렴한 화학적 방법을 개발했다. 이 기술은 순도와 결정 구조의 희생 없이 매우 얇은 MoO3 2차원 결정을 만들 수 있다. 이번 연구진은 MoO3 2차원 재료를 사용해서 전계 효과 트랜지스터를 제조함으로써 이 기술의 효과성을 증명했다.

MoO3의 2차원 결정은 제어 가능한 전기적 특성들을 가진다. 그러나 2차원 MoO3를 합성할 수 있는 기존 기술들은 편의성, 순도, 일관성 간에 희생해야 할 부분이 존재한다.

화학 기상 증착과 같은 상향식 방식은 2차원 재료를 쉽게 합성할 수 있지만, 제품의 두께를 제어하는 것이 어렵다. 하향식 방식은 품질 또는 단순성을 희생해야 한다. 예를 들어, 스카치테이프 방식은 간단하지만 크기와 두께가 일정하지 않는 결정을 만들고, 액상 박리 방식(liquid-phase exfoliation)은 확장성을 가지지만 결정에 사용되는 용매 또는 계면 활성제에 의해서 오염될 수 있다.

이번 연구진은 기계적으로 박리된 전구체로부터 2차원 결정을 제조할 수 있는 화학적 에칭 프로세스를 제안했다. 화학 기상 증착으로 생성된 MoO3 벌크 샘플은 기계적 박리를 수행한 후에 실리콘 기판으로 전사되었다. 그 후에 화학적 에칭을 수행했다. 다양한 농도의 KOH 용액에 노출시킨 결과, 에칭제와 물의 비율이 1 : 500일 때가 가장 우수한 결과를 도출했다.

원자 힘 현미경으로 MoO3 2차원 결정을 조사함으로써 에칭제에 25초 노출시킬 때 충분히 얇아진다는 것을 발견했다. 라만 분광법으로 조사해 본 결과, 본래의 순도를 유지했다. 전자 회절 결과를 확인했을 때, 본래의 결정 구조를 유지한다는 것을 알 수 있었다.

마이크로 및 나노전자장치에 이 재료를 적용할 수 있는지를 입증하기 위해서 수소 이온이 삽입된 MoO3를 사용해서 전계 효과 트랜지스터를 제조했다. 이 연구는 원하는 두께를 가진 MoO3 결정을 저렴하게 제조할 수 있게 하기 때문에 센서, LED, 슈퍼커패시터 전극 등에 이런 재료를 더 폭넓게 적용할 수 있게 할 것이다.

이 연구결과는 저널 2D Materials에 “Two-dimensional MoO3 via a top-down chemical thinning route” 라는 제목으로 게재되었다(https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa79d5).