Center for Relativistic Laser Science

2차원 반도체의 원자 결함 치유 원리 밝혀

“완벽한 구조와 발광효율의 단층반도체 구현이 가능함 증명”

성균관대학교(총장 정규상) 에너지과학과 김정용, 김영민 교수, 그리고 부산대학교 물리학과 이재광 교수 연구팀이 2차원 반도체의 원자 결함 치유 원리를 공동으로 규명한 연구결과가 나노과학 분야 최고권위지인 “Nano Letters” (IF 12.712)에 실렸다.

연구팀은 2차원 발광반도체인 단층 이황화몰리브데늄(MoS2)의 황원자 공극 (Sulfur vacancy) 결함이 유기분자에서 분리되어 나온 황원자가 채워지는 원리로 광효율이 급격히 증가하는 과정을 규명하였다.

단층 이황화몰리브데늄은 0.6 nm (1 nm=십억 분의 1 m) 두께의 직접대역 반도체 물질로서, 2차원 양자 광소재로 많은 연구가 이루어지고 있다. 그러나 특유의 단층 구조로 인해 S(황) 원자가 빠져 있는 공극 결함이 높은 밀도로 존재하여 광소자로서의 활용에서 가장 중요한 요소인 발광 양자효율이 1% 이하로 낮아, 실제 광소자로의 응용에 제약이 있었다. 최근 간단한 화학용액 처리로 이들 물질의 양자효율을 월등히 증가시켰다는 연구 보고가 있기도 했으나 시료 종류와 성장 조건에 따라 효과가 크게 다르게 나타나는 등 반도체 결함 치유의 과정이나 원리가 알려지지 않아 연구의 효용성이 제한되어 왔다.
 
이번 연구에서 공동 연구진은 유기 분자(bis(trifluoromethane) sulfonimide: TFSI)가 녹아 있는 화학용액처리 전？후의 시료에 대하여 광분석 실험과 함께 주사식 투과전자현미경를 이용한 원자 수준의 결정 격자 이미징 및 제1원리 계산을 동시에 적용했다.

연구 결과, 연구진은 용액 내 유기 TFSI 분자가 이황화몰리브데늄 공극 주변에서 이산화황(SO2)으로 분리되고 이내 S 원자가 공극에 채워지며 반도체 격자 결함이 말끔하게 치유됨과 동시에 시료의 발광 양자효율이 급격히 증가하는 원리를 밝혀냈다.

[그림 설명] TFSI 유기분자가 격자 공극 (Vs) 에 접근하면 (그림 상) 이산화황(SO2)이 분리되면서 S 원자가 공극을 채워 결함을 제거함 (그림 하). 산소분자(O2)는 바로 해리됨. 삽입된 그림은 공극 결함이 제거되면서 단층 이황화몰리브데늄 시료의 실제 발광 세기가 크게 증가한 것을 보여주는 자료. (시료 크기: 두께 0.6 nm, 너비 ~20 μm)

연구를 수행한 김정용 교수는 “단층 무기반도체의 원자 결함을 유기분자 안의 해당 원자가 분리돼 메꾸는 신비한 반도체의 결함 치유 과정을 처음으로 규명하였다"며, "향후 완벽한 구조를 가진 발광효율의 단층반도체 구현 가능성을 실제로 증명해 보인 것이 의미 있는 결과”라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 기초과학연구원(IBS)와 연구재단의 창의소재개발프로그램 및 중견연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

http://news.joins.com/article/22746300