- 이황화몰리브덴 나노박막 결정립계면 전기저항 특성 세계 최초 확인

IBS 나노구조물리 연구단은 미래 반도체로 소재로 조명 받고 있는 2차원 반도체 물질 이황화몰리브덴의 전기적 특성을 규명하는데 성공하였다. 이황화몰리브덴(MoS2)은 황(S)과 몰리브덴(Mo)이 공유결합한 물질로 나노미터(㎚=10억 분의 1ｍ) 미만 두께의 단일층 2차원 초박막(나노박막) 반도체로 구현할 수 있어, 실리콘 반도체를 대체할 미래 신소재로 주목받고 있다.

이번 연구는 전류측정팀, 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)팀, 이론계산팀이 각기 전문성을 살려 진행한 집단연구로, MoS2 단일층 나노박막 상 결정립계면의 전기적 특성을 세계 최초로 측정해 낸 데 그 의의가 있다.

연구진은 불활성가스를 채운 글러브박스에서 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)으로 MoS2 나노박막을 제작, 여러 결정립계면의 전하이동도를 측정했다. 이후 고해상도 투과전자현미경으로 개별 결정립계면의 각도 및 원자결합구조를 확인, 이를 통해 각각 다른 각도로 틀어진 결정립계면들의 전하이동도를 측정하고 그 이론적 투과장벽높이를 산출해냈다.

그 결과, MoS2 나노박막의 전기저항이 결정립계면에서 훨씬 크게 나왔으며, 특히 계면에 맞닿은 양 결정립의 원자결합구조가 서로 틀어진 각도에 영향을 받는 것으로 확인됐다. MoS2 나노박막의 전하이동도 값은 평균 44 cm²/V·s, 최고 132 cm²/V·s이었으나, 결정립계면에서는 이보다 훨씬 낮은 최고 16cm²/V·s, 최저 2 cm²/V·s로 측정됐다. 특히 결정립계면의 전하이동도는 측정된 최저 각도인 8°에서 최저값(2cm²/V·s)을 보이고, 8°~20° 범위에서는 각도가 높아짐에 따라 증가하다가, 20°~60°(최고) 범위에서는 동일한 최고값(16cm²/V·s)을 나타냈다. 이는 결정립계면의 각도 증가에 따라 투과장벽높이가 낮아져 저항이 낮아졌기 때문이다. 연구진은 이런 결과를 토대로 결정립계면의 틀어진 각도에 따른 이론적 투과장벽높이를 계산해냈다.

이로써 연구진은 기존 연구결과와 달리 MoS2도 그래핀처럼 결정립계면에서 전하이동도가 저하되며, 그 틀어진 각도가 전하이동도에 영향을 주는 것을 최초로 입증해 보였다. 또한 불활성가스로 MoS2의 산화반응을 최소화함으로써 기존 연구 대비 최대 10배 이상 우수한 전하이동도값을 얻어냈으며, 투과전자현미경을 활용해 신뢰성을 더하였다.

특히 이번 연구방법을 여타 층상구조 반도체 물질에도 적용하여 물질의 특성을 보다 정밀하게 파악할 수 있을 것으로 보인다. 연구진은 향후 이 같은 데이터를 바탕으로 미래 신소재 반도체 구현의 시기를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다.