기초과학연구원(IBS) 원자제어저차원전자계연구단의 조문호 부연구단장(POSTECH 신소재공학과 교수) 연구진은 서로 다른 두 2차원 소재를 접합하여 새로운 광학적 특성을 밝혀내고, 고성능 2차원 광소자를 개발할 수 있는 가능성을 높였다.
연구팀은 단일 원자층으로 이뤄진 이황화몰리브덴(MoS₂)과 이황화텅스텐(WS₂)간의 상대적 결정 방향을 조절함으로써 가시광선을 흡수·방출할 수 있는 특성을 구현했다. 2차원 소재의 광학적 특성을 제어하는데 성공함으로써, 2차원 발광체, 레이저, 광검출기 등 고성능 광소자에 응용할 수 있는 단초를 제공하였다.

2차원 원자층 물질은 여러 개 원자층으로 이루어져 있으며, 단일 원자층으로 존재할 때 새로운 물리적 현상을 관찰할 수 있다. 탄소 원자 한 개 층으로 이뤄진 그래핀이 대표적이다.
이러한 2차원 소재들은 우수한 물리·화학적 특성 덕에 차세대 전자소자로 주목받고 있다. 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐 역시 단일 원자층으로 떼어낼 수 있는 층상화합물이며, 그래핀을 대체할 차세대 반도체 소재 후보로 꼽히고 있다.
2차원 소재들은 저마다의 결정방향이 있다. 두 원자층 소재를 종이를 겹치듯 적층구조로 쌓았을 때, 이 방향(상대적인 회전각도)을 일치시키면 상호작용이 강해지고 전자/광소자 활용 가능성이 커진다. 특히 나노미터 두께에도 불구하고 빛의 10% 이상을 흡수할 수 있어 광소자로서 성능을 크게 높일 수 있다. 연구진은 새로운 공정을 개발해, 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐의 원자층 간 회전각도를 일치시키는데 성공했다.

연구진이 만든 적층 구조는 빛을 흡수하고 방출하는데 있어 전자의 운동량이 커 전자의 전달 효율이 높다는 특징이 있다. 이를 위해 연구진은 기존의 방식과는 다른 방식을 이용하여 적층 구조를 만들었다.
기존에는 각 단일층 재료를 기계적으로 박리법으로 분리한 뒤 물리적으로 전사해 적층구조를 만들었다. 하지만 단일층 간 상대적 결정 방향이 일치하지 않아 층 간 상호작용이 미약하다는 한계가 있었다.
연구진은 기존 방식과 달리 대면적 화학기상증착법을 활용했다. 연구진은 화합물의 원자층 간 회전각도가 0도가 되면서 결정 방향이 정확하게 일치하는 것을 확인했다.
(*화학기상증착법은 고온에서 물질을 가열할 경우 생기는 기화물 간 화학 반응을 이용하여 원하는 기판에 소재를 합성하는 방식이다)

(그림1. 두 단일층 반도체의 결정 방향에 따른 역격자 공간과 수직 적층 구조 모식도)

조문호 부연구단장은 “두 원자층 간 결정 방향을 조절하면 새로운 파장의 빛을 흡수하고 방출하는 특성을 제어할 수 있음을 최초로 규명한 것이다”면서 “앞으로 다양한 광물리 현상 연구가 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 그는 또“눈으로 볼 수 있는 빛의 영역인 가시광선의 빛을 흡수・방출하기 때문에 앞으로 2차원 광소자의 성능을 크게 높일 수 있는 가능성을 제시하였다”고 말했다.

이 연구성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.470) 온라인에 6월 23일 게재되었다. 이번 연구는 연세대학교 전자전기공학부 최현용 교수 연구진과 포항공과대학교 화학과 심지훈 교수 연구진의 공동 연구로 수행되었다.

- (논문제목) “단일층 반도체 적층 구조에서의 층 간 결정 방향에 따른 흡/발광 특성” (Interlayer oreintation dependent light absorption and emission in monolayer semiconductor stacks)
- (제1저자) 포항공과대학교 첨단재료과학부 허호석(석박사 통합과정생), 성지호(박사과정생)
- (교신저자) 조문호 IBS 원자제어저차원전자계연구단 부연구단장(POSTECH 신소재공학과 교수)