과학기술정보통신부 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 연구진은 전도성원자력현미경(Conductive Atomic Force Microscope, 이하 CAFM¹⁾)에 전류증폭기를 연결해 2차원 이황화몰리브덴(MoS₂)²⁾의 원자결함³⁾과 관련한 전기적 특성을 밝혔다. CAFM이 만든 미세 전류의 저주파 파형을 읽어, 2차원 이황화몰리브덴이 반도체적 특성을 갖는 이유를 찾아냈다.

재료나 소자에 흐른 전류가 만든 ‘저주파(1Hz ~ 5kHz)’는 재료의 파괴 없이도 내부 결함을 찾는 일종의 ‘나침반’이 된다.

CAFM은 원래 시료의 전도도를 측정하는 장비이다. 지름이 수십 나노미터(nm, 10억분의 1m)인 탐침으로 시료에 전류를 흘린 뒤, 전류의 크기로 전도도를 측정한다. 연구진은 전류증폭기를 사용해 CAFM이 만들어 내는 전류의 저주파 파형을 확대해 미세전류까지 측정이 가능하도록 고안했다.

같은 시료에 가해진 동일한 크기의 전류라도 내부결함에 의해 결과값이 미세하게 달라진다. 전류가 흐를 때 원자결함 내에 전자 1~2개가 갇히거나, 기존에 갇혀있던 전자가 나와 수 피코암페어(pA, 1조분의 1A) 수준의 극미세 전류차를 발생시키기 때문이다. 결국 저주파 파형을 해석하면 전자와 원자결함간의 관계를 분석할 수 있다.

연구진은 실리콘을 대체할 차세대 전자소재로 꼽히는 2차원 이황화몰리브덴을 시료로 사용했다. 전자와 원자결함을 분석해 시료 내부의 황(S) 원자결함에 전자 1개가 들어가야 안정한 상태로 존재한다는 것을 밝혔다. 이로써 2차원 이황화몰리브덴이 n형 반도체성⁴⁾을 보이는 성향이 규명되었다.

이번에 고안한 방법은 앞으로 다양한 저차원 전자소재의 전자-결함 관계를 이해하는데 유용하게 이용될 것이다. 나아가 원인이 밝혀지지 않은 재료의 특성을 이해하는 데 기여할 것으로 보인다.

이번 연구는 재료과학자, 원자력현미경 전문가, 노이즈 분석 전문가의 공동연구로 한 장소에서 연구원간 공동연구를 장려하는 IBS의 독특한 연구 환경이 빚어낸 결과이다. 이영희 연구단장은 “이번 연구성과를 활용해 나노미터 크기의 영역에서 2차원 표면의 결함을 찾고자 한다”며 새로운 노이즈 분광법 장치를 개발하는 후속연구를 진행 중이라고 밝혔다.

IBS 나노구조물리 연구단 송승현, 주민규 연구위원과 마이클 노이만 연구교수가 공동제1저자로 수행한 이번 연구는 12월 14일 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.124)에 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] 2차원 이황화몰리브덴과 전자 흐름 모식도.
2차원 이황화몰리브덴의 저주파 파형은 전자가 원자결함에 갇히거나 이탈하는 과정에서 일어난다.

▲ [그림 2] 2차원 이황화몰리브덴의 전자-결함 거동 분석 실험.
전도성 원자력 현미경(CAFM, Conductive Atomic Force Microscope)으로 발생한 저주파 파형을 전류증폭기로 측정해 2차원 이황화몰리브덴에서 일어나는 전자와 황(S) 원자결함(sulfur monovacancy defect) 사이의 관계를 측정했다.