기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노구조물리연구단(단장 이영희, 성균관대 물리학과 교수) 연구팀이 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)으로 만들어진 이황화몰리브덴(이하 MoS₂) 단일층 나노박막의 구조 및 전기적 특성을 관측, 규명해냈다.
MoS₂는 몰리브덴(Mo)과 황(S)이 공유결합한 물질의 일종으로, 나노미터(nm, 10억 분의 1미터) 미만 두께의 단일층 나노박막 반도체를 만들 수 있어, 미래 반도체 신소재로 각광받고 있다.

이영희 단장 연구팀은 MoS₂의 전기적 특성을 악화시키는 산화반응의 억제를 위해 불활성가스를 채워 밀폐한 글러브박스(glove box) 내에서 MoS₂ 나노박막을 제작한 결과, 전기저항이 기존 연구 측정값보다 매우 낮음을 확인했다.
불활성 환경에서 만들어진 MoS₂ 나노박막은 전하이동도가 평균 44 cm²V^-1s^-1, 최고 132 cm²V^-1s^-1로 측정돼, 기존 값의 최소 10분의 1 이하로 낮은 전기저항을 나타냈다.

연구팀은 특히 MoS₂ 나노박막 또한 그래핀의 경우와 같이 결정립계면(crystal grain boundary)에서 높은 전기저항을 보임을 세계 최초로 확인, 향후 유사한 2차원 나노박막 반도체 신소재 연구개발에 큰 이정표를 남겼다.

고해상도 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscope)으로 여러 결정립계면의 원자결합구조를 나노미터 이하 수준까지 정밀하게 관찰, 이에 따른 전하이동도 변화를 측정해냈다.
결정립계면의 전하이동도는 나노박막 평균보다 대폭 낮은 최고 16cm²V^-1s^-1, 최저 2cm²V^-1s^-1로 측정돼, 최대 100배 이상 높은 전기저항을 보였다.
특히 연구팀은 결정립계면의 전하이동도가 양쪽 원자결합구조의 틀어진 각도(이하 결정립계면 각도)에 큰 영향을 받음을 규명해냈다. 이는 결정립계면 각도에 따라 투과장벽높이가 변화하기 때문으로, 연구팀은 측정 결과를 토대로 결정립계면 각도에 따른 이론적 투과장벽높이를 계산해냈다.

이번 연구는 전류측정팀, 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)팀, 이론계산팀이 각기 전문성을 살려 진행한 집단연구로 2차원 나노 반도체 신소재의 중요한 전기적 특성을 규명해 낸 데 그 의의가 있다.

이영희 IBS 나노구조물리연구단장은 “새로운 방법으로 결정립계면의 틀어진 각도에 따른 전기저항 특성을 규명해낸 연구”라며 “향후 고품질의 대면적 이차원 물질을 합성하는데 이용될 것”이라고 전했다.

▲ 투과전자현미경을 사용하여 결정립계면의 위치, 각도와 원자구조를 관측

▲ 대면적 이황화몰리브데늄의 결정립계면의 비정상적인 전기저항 특성

이영희 단장, Ly Thuc Hue 박사, Zhao Jiong 박사, David Perello 박사의 본 연구성과는 과학저널 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications, IF 11.470)에 1월 27일자로 온라인 게재되었다.