지스트(광주과학기술원) 연구진이 1㎚(나노미터:10억분의 1m)보다 얇은 두께의 2차원 반도체 물질 합성법을 개발해 실리콘을 뛰어넘는 차세대 반도체 소재로 활용할 수 있는 가능성을 확인했다.

14일 지스트에 따르면 화학과 임현섭 교수 연구팀은 2차원 몰리브덴 이황화물(MoS2) 합성 공정을 개선해 결정 입자 사이의 경계를 획기적으로 줄이는 대면적 단결정 합성법을 개발했다.

기존 다결정 몰리브덴 이황화물에서 결정 입자 사이에 경계면이 존재해 전하이동도가 느렸던 단점을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

▲ 2차원 몰리브덴 이황화물 합성 공정을 개선해 결정 입자 사이의 경계를 획기적으로 줄이는 대면적 단결정 합성법을 개발한 광주과학기술원 임현섭 교수(가운데) 연구팀. 사진 왼쪽 박용희 박사과정생 왼손에 2차원 몰리브덴 이황화물 웨이퍼가 들려있다.

몰리브덴 이황화물은 꿈의 소재라 불리는 그래핀의 한계(우수한 열전도율과 내구성을 갖춘 신소재이나 금속성을 가지고 있어 반도체 소재로 활용할 수 없음)를 극복할 수 있어 차세대 2차원 나노물질로 주목받고 있다.

하지만, 단결정 합성 과정에서 결정 입자 사이의 경계로 인해 반도체 산업에 활용이 어렵고 합성 효율이 낮아 경제성이 부족했다.

▲ 2차원 몰리브덴 이황화물 웨이퍼.

연구팀은 2차원 몰리브덴 이황화물의 합성에 사용되던 기존의 고체 전구체를 무기 분자 전구체로 대체해 합성 효율을 높였고, 사파이어 기판에서 2차원 몰리브덴 이황화물을 단일층 및 단결정으로 합성할 수 있는 신기술을 개발했다.

또 단결정 합성법의 핵심적인 기법인 '에피텍셜 성장'에서 그간 베일에 싸였던 사파이어 기판의 말단 작용기의 역할을 규명했다.

작용기(Functional group)는 분자들의 특징적인 화학 반응을 담당하는 분자 내의 특정 치환기 또는 부분으로, 동일한 작용기는 동일하거나 유사한 화학 반응을 겪는다.

알루미늄과 산소로 구성된 사파이어 기판이 가지고 있는 알루미늄 말단 작용기가 2차원 몰리브덴 이황화물 단결정 성장에 핵심적인 역할을 한다는 새로운 메커니즘을 제시했다.

임현섭 교수는 "이번 연구를 통해 몰리브덴 이황화물을 차세대 반도체 소재로 활용하는 시점이 앞당겨질 것으로 기대한다"며 "특히 새롭게 밝혀낸 메커니즘은 다른 2차원 나노물질들의 대면적 단결정 합성 공정 개발에도 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 재료 과학 및 화학분야 저명 국제학술지인 'ACS Nano'에 2023년 1월 12일 온라인 게재됐다.

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