IBS 연구진이 2차원 반도체를 단결정으로 합성하는 핵심 원리를 규명하고, 장비와 기판 크기에 따라 대면적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다. 이번 성과로 고품질 2차원 반도체를 첨단소자 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

IBS 나노구조물리 연구단 이영희 단장과 김기강 연구위원, 최수호 박사후연구원은 숙명여대, 동국대와 공동으로 2차원 반도체 소재를 단결정으로 대면적 합성하는 방법을 개발했다고 18일 밝혔다.

▲ 하단결정 2차원 반도체 합성 모식도

보통의 결정 소재는 수많은 결정들이 합쳐진 다결정 고체다. 결정들 사이에 존재하는 경계 결함은 소재 특성 저하의 원인이 된다. 단결정 합성은 이러한 저하를 방지할 수 있는 중요한 기술이지만, 결정 구조를 완벽하게 이어지도록 구현하는 것이 그간 난제였다.

연구진은 원자 수 개 규모의 톱니 모양 표면을 갖는 금 기판을 이용해 문제를 해결했다. 다결정 박막 결함은 결정들이 각기 다른 방향으로 성장하기 때문에 생긴다. 단결정을 만들기 위해서는 원자 수준에서 결정 성장 방향을 동일한 방향으로 정렬시켜야 한다.

연구진은 금 기판 위에서 전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenide, 이하 TMD) 단결정이 생김을 우연히 발견하고, 그 이유가 금 기판이 액체 상태에서 응고될 때 한 방향으로 정렬된 톱니 모양 표면을 가지기 때문임을 밝혔다.

이러한 현상을 이론적으로 설명하기 위해, TMD 결정 방향이 금 표면에 나란히 정렬될 때 가장 안정한 에너지를 가짐을 제시했다. 주사터널링현미경으로 톱니 표면과 TMD 결정 방향이 정렬된 것 또한 확인하였다.

▲ 금 표면 위에 합성된 2차원 반도체 단결정의 단면 사진

연구진은 같은 방법을 이용해 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂), 이셀레늄화텅스텐(WSe₂) 등의 단일소재는 물론, 두 가지 이상의 소재를 접합한 이종접합구조 및 화합물도 단결정 박막 합성이 가능함을 보였다.

공동교신저자인 이영희 연구단장은 "이번 연구로 2차원 반도체 소재 본연의 특성을 지닌 단결정 합성기술을 개발했고, 단결정 합성의 핵심 원리를 규명함으로써 2차원 소재 상용화의 초석을 놨다"고 말했다.

이번 연구를 통해 대면적 단결정 2차원 소재 적층구조에서 나타나는 새로운 물리 현상들을 밝히고, 전자·광소자 연구에도 활발히 응용할 수 있게 됐다. 연구진은 향후 2차원 소재들이 적층된 초격자 구조의 단결정 합성 연구를 수행할 계획이다.

IBS 커뮤니케이션팀
최지원