국내 연구진이 단결정 합성의 핵심 원리를 규명해 장비와 기판 크기에 따라 반도체 소재를 대면적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다. 이번 성과는 고품질 2차원 반도체의 첨단소자 분야에 응용될 것으로 기대를 모은다.
기초과학연구원(IBS)은 이영희 나노구조물리 연구단 단장(성균관대 교수)과 김기강 연구위원(성균관대 부교수), 최수호 박사후연구원은 김수민 숙명여대 교수, 한영규 동국대 교수와 공동으로 2차원 반도체 소재를 단결정으로 대면적 합성하는 방법을 개발했다고 18일 밝혔다.
연구진은 원자 여러개 크기의 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, 금 기판이 액체 상태에서 응고될 때 한 방향으로 정렬된 톱니 모양의 표면을 가짐을 밝혔다.
TMD 결정 방향이 금 표면에 나란히 정렬될 때 가장 안정한 에너지를 가짐을 제시해, 단결정 형성 원리도 이론적으로 밝혔다. 주사터널링현미경으로 톱니 표면과 TMD 결정 방향이 정렬된 것을 관찰함으로써 이 가설을 검증했다.
연구진이 개발한 기술로 이황화몰리브덴(MoS2), 이황화텅스텐(WS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 등의 단일소재는 물론, 두 가지 이상의 소재를 접합한 이종접합구조(heterostructure) 및 화합물(alloy)도 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.
김동진 기자 communication@chosunbiz.com