위 왼쪽부터 박대영 전주대 과학교육학과 교수, 김태훈 한양대 물리학과 박사과정생, 김보라 대구경북과학기술원(DGIST) 화학물리학과 박사. 아래 왼쪽부터 정문석 한양대 물리학과 교수, 성주영 DGIST 화학물리학과 교수, 김동욱 이화여대 물리학과 교수
한양대학교 물리학과 정문석 교수 연구팀이 대구경북과학기술원(DGIST) 성주영 교수 연구팀, 이화여대 김동욱 교수 연구팀과 함께 단층 2차원 반도체의 주름 결함을 선택적으로 보정하는 기술을 개발했다.
연구팀은 단층 텅스텐 디셀레나이드(1L-WSe₂)에 생기는 주름 결함을 분자 처리로 보정해 전하 수송 성능을 높였다. 2차원 반도체는 원자 한 층 수준의 얇은 두께와 전기적·광학적 특성 때문에 차세대 반도체와 광전자 소자 소재로 연구되고 있다. 다만 성장과 전사 과정에서 주름 같은 구조적 결함이 쉽게 생긴다. 이 결함은 전하 포획과 에너지 불균일성을 일으켜 소자 성능을 떨어뜨리는 요인으로 꼽힌다.
연구팀은 트라이옥틸포스핀 셀레나이드(TOPSe)를 활용한 ‘주름 선택적 결함 보정 전략’을 제시했다. TOPSe는 분자 구조가 커 평탄한 영역에는 잘 결합하지 않지만, 주름 부위에 있는 셀레늄 공공결함과는 선택적으로 반응하는 특성이 있다. 연구팀은 이 특성을 이용해 WSe₂ 주름 영역의 결함을 보정하고 전하 불균일성을 완화했다.
라만 및 광발광(PL) 분광 분석 결과, TOPSe 처리 후 주름 부위의 결함 관련 신호가 줄고 광학적 특성이 개선됐다. 전기적 특성 분석에서는 TOPSe 처리 단층 WSe₂ 기반 전계효과 트랜지스터(FET)의 전류와 이동도가 기존 소자보다 200% 이상 향상된 것으로 나타났다. 연구팀은 주름 부위 결함 보정이 전하 포획과 에너지 장벽을 낮춰 전하가 이동하기 쉬운 경로를 만든 결과로 분석했다.
정문석 한양대학교 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체에서 자주 나타나는 주름 결함을 선택적으로 보정해 전하 수송 성능을 개선했다는 점에서 의미가 있다”며 “원자층 수준의 구조적·전자적 불균일성을 제어하는 분자공학 기술로 확장될 수 있다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 혁신연구센터사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 나노·재료 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 5월 18일 표지논문으로 게재됐다.
논문 제목은 ‘Flattening Energy Puddles for Enhanced Charge Transport in Wrinkled WSe₂’다. 박대영 전주대 과학교육학과 교수, 김태훈 한양대 물리학과 박사과정생, 김보라 DGIST 화학물리학과 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 정문석 한양대 교수, 성주영 DGIST 교수, 김동욱 이화여대 교수가 교신저자를 맡았다.
[출처:중앙일보] https://www.joongang.co.kr/article/25435636