단결정으로 얇고 넓은 `2차원 반도체 첨단 소자` 만든다

단결정 2차원 반도체 합성 모식도 및 실제 실험 결과.(자료제공: IBS)

기초과학연구원(IBS) 이영희 나노구조물리 연구단장 연구팀은 김수민 숙명여대 교수, 한영규 동국대 교수 연구팀과 함께 2차원 반도체 소재를 단결정으로 대면적 합성하는 데 성공했다고 지난달 18일 밝혔다
단결정은 다결정에 비해 결정 사이에 있는 경계 결함 저하를 막아 소재 특성을 유지한다. 단결정을 만들려면 원자 수준의 결정들을 한 방향으로 정렬시켜야 한다. 또한 전이금속 칼코겐 화합물(TMD)과 같은 얇은 2차원 반도체는 한 층이 원자 3개 크기와 맞먹는 나노미터 두께를 가져 차세대 전자소자, 광소자, 센서, 촉매 등에 널리 쓰인다. 하지만, 다양한 시도에도 TMD을 단결정으로 만들지 못했다.
연구팀은 원자 수 개 크기의 톱니 모양 표면의 금 기판 위에서 TMD 단결정이 생기는 것을 우연히 발견하고, 금 기판이 액체 상태에서 응고될 때 한 방향으로 정렬된 톱니 모양 표면을 가진다는 사실을 알아냈다. TMD 결정 방향이 금 표면에 나란히 정렬될 때 가장 안정한 에너지를 가져 단결정을 형성한다는 것을 주사터널링현미경으로 확인했다.
연구팀은 이를 토대로 이황화몰리브덴, 이황화텅스텐, 이셀레늄화텅스텐 등의 단일 2차원 소재뿐 아니라 두 가지 이상의 소재를 접합한 이종 접합구조 및 화합물도 단결정 박막으로 합성할 수 있음을 보여줬다.
이영희 나노구조물리 연구단장은 "2차원 반도체 소재의 특성을 지닌 단결정 합성기술 개발을 통해 고품질 2차원 반도체 첨단 소자 상용화에 기여할 것"이라며 "앞으로 2차원 반도체 소재들이 적층된 초격자 구조의 단결정을 합성하는 연구를 수행할 계획"이라고 말했다.
이 연구결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈’ 3월 10일자에 실렸다.