IBS 나노구조물리 연구단은 미래 반도체로 소재로 조명 받고 있는 2차원 반도체 물질 이황화몰리브덴의 전기적 특성을 규명하는데 성공하였다. 이황화몰리브덴(MoS₂)은 황(S)과 몰리브덴(Mo)이 공유결합한 물질로 나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 미만 두께의 단일층 2차원 초박막(나노박막) 반도체로 구현할 수 있어, 실리콘 반도체를 대체할 미래 신소재로 주목받고 있다.

이번 연구는 전류측정팀, 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)팀, 이론계산팀이 각기 전문성을 살려 진행한 집단연구로, MoS₂ 단일층 나노박막 상 결정립계면의 전기적 특성을 세계 최초로 측정해 낸 데 그 의의가 있다.

연구진은 불활성가스를 채운 글러브박스에서 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)으로 MoS₂ 나노박막을 제작, 여러 결정립계면의 전하이동도를 측정했다. 이후 고해상도 투과전자현미경으로 개별 결정립계면의 각도 및 원자결합구조를 확인, 이를 통해 각각 다른 각도로 틀어진 결정립계면들의 전하이동도를 측정하고 그 이론적 투과장벽높이를 산출해냈다.

그 결과, MoS₂ 나노박막의 전기저항이 결정립계면에서 훨씬 크게 나왔으며, 특히 계면에 맞닿은 양 결정립의 원자결합구조가 서로 틀어진 각도에 영향을 받는 것으로 확인됐다. MoS₂ 나노박막의 전하이동도 값은 평균 44cm²/V·s, 최고 132cm²/V·s이었으나, 결정립계면에서는 이보다 훨씬 낮은 최고 16cm²/V·s, 최저 2cm²/V·s로 측정됐다. 특히 결정립계면의 전하이동도는 측정된 최저 각도인 8°에서 최저값(2cm²/V·s)을 보이고, 8°~20° 범위에서는 각도가 높아짐에 따라 증가하다가, 20°~60°(최고) 범위에서는 동일한 최고값(16cm²/V·s)을 나타냈다. 이는 결정립계면의 각도 증가에 따라 투과장벽높이가 낮아져 저항이 낮아졌기 때문이다. 연구진은 이런 결과를 토대로 결정립계면의 틀어진 각도에 따른 이론적 투과장벽높이를 계산해냈다.

이로써 연구진은 기존 연구결과와 달리 MoS₂도 그래핀처럼 결정립계면에서 전하이동도가 저하되며, 그 틀어진 각도가 전하이동도에 영향을 주는 것을 최초로 입증해 보였다. 또한 불활성가스로 MoS₂의 산화반응을 최소화함으로써 기존 연구 대비 최대 10배 이상 우수한 전하이동도값을 얻어냈으며, 투과전자현미경을 활용해 신뢰성을 더하였다.

특히 이번 연구방법을 여타 층상구조 반도체 물질에도 적용하여 물질의 특성을 보다 정밀하게 파악할 수 있을 것으로 보인다. 연구진은 향후 이 같은 데이터를 바탕으로 미래 신소재 반도체 구현의 시기를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다.

▲ 투과전자현미경을 사용하여 결정립계면의 위치, 각도와 원자구조를 관측

▲ 대면적 이황화몰리브데늄의 결정립계면의 비정상적인 전기저항 특성