Center for Relativistic Laser Science

에너지과학과 정문석 교수 연구팀은 탐침 증강 라만 분광법 (tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS)을 이용하여 2차원 단일 층 반도체인 이황화텅스텐 (WS2)의 결함 관련 라만 산란 신호를 검출 해내였다.

대표적 2차원 반도체인 단일 층 전이금속 칼코겐화합물은 매우 얇고 직접 밴드갭을 가져, 초소형 광전 소자와 투명 유연소자 등 여러 반도체 소자 분야에서 많은 주목을 받고 있다. 특히 전이금속 칼코겐화합물 중에서 단일 층 이황화텅스텐은 높은 양자 효율을 가져 각광받고 있다.

고성능의 반도체 소자를 제작하기 위해선 결함이 없는 좋은 품질의 2차원 반도체가 필요하지만, 현재까지 이의 품질을 평가할 수 있는 기준이 모호한 실정이다. 따라서 같은 종류의 시료를 가지고 소자의 특성이 다르게 나오는 등 품질 평가 기준의 부재는 상용화에 매우 심각한 걸림돌이 되고 있다.

연구팀은 표면의 나노 구조 분석과 광학 실험이 동시에 가능한 탐침 증강 라만 분광법을 이용하여 결함이 다수 존재하는 영역에서 지금껏 관찰되지 않았던 새로운 신호를 검출하였다. 더불어 이 신호가 반도체의 결함 중 하나인 황(S) 원자의 공공(vacancy) 결함으로 나타난 신호임을 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산을 통해 확인하였다. 연구팀은 이를 결함에서 나오는 ‘D 모드’라 명명하고, 결함이 없는 영역에서 나타나는 신호의 세기와 비교하여 이황화텅스텐의 품질을 평가할 수 있는 기준을 제시했다고 보고하였다.

정문석 교수는 “이 연구는 2차원 반도체 물질의 결함에 관한 신호를 처음으로 검출해냈다는데 중요성이 있다”며 “앞으로 다양한 2차원 반도체 소재에 적용하여 품질평가 기준을 만들어 이를 통해 2차원 반도체의 상용화를 가속화시킬 수 있는 탁월한 연구결과”라고 의미를 설명했다.

본 연구 결과는 미국 화학회에서 발행하는 나노과학 분야의 국제 학술지중의 하나인 ‘ACS Nano (IF = 13.709)’에 2018년 10월 23일 게재되었다.

이 연구는 한국연구재단 중견연구자 사업 지원으로 수행되었으며 박사과정 이찬우 연구원 (에너지과학과)이 제 1저자로 참여하였고, 이승미 박사 (한국표준과학연구원)가 공동 교신저자로 참여하였다.

(그림) 탐침 증강 라만 분광법을 이용하여 이황화텅스텐의 공공 결함을 측정하는 모습

https://www.skku.edu/skku/research/industry/researchStory_view.do?mode=view&articleNo=72204