성균관대학교(총장 신동렬)는 신소재공학부 김형섭(공동교신) 교수 연구팀이 삼성전자 종합기술원 이은하(공동교신) 전문연구원과 공동연구를 통해 산화몰리브덴(MoO2)으로부터 이차원 소재인 이황화몰리브덴(MoS2) 형성 시 일차원 형태의 매우 규칙적인 중간상 구조가 발현되는 것을 최초로 발견했다고 밝혔다.

 최근 차세대 반도체 및 에너지 소자의 다양한 활용을 위해, 산화물의 황화 또는 셀렌화 기반 상변이 기구를 통해 수 나노미터 두께의 반데르발스 갭을 가지는 이차원 구조 소재로 합성하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 상변이는 원자층 수준의 두께를 가지는 순차적인 층별 상변이 현상을 통해 이차원 구조로 발전한다.

사진=(좌) 상변이 모식도, (우) 고분해능 투과전자현미경 사진

연구팀은 산화몰리브덴을 이용한 이황화몰리브덴의 황화 공정 중 발생하는 층별 상변이 과정에서 매우 규칙적으로 배열된 일차원 구조형태의 중간상이 형성되는 것을 고분해능 투과전자현미경을 이용하여 처음으로 발견하였다. 제일원리 계산을 통해 이러한 중간상의 원자구조를 규명하였으며, 삼차원→일차원→이차원 구조로의 변이 과정을 원자수준에서 해석하였다.

또한 연세대학교 물리학과 조만호 교수팀과의 협업을 통해, 이황화몰리브덴의 원자층 수에 따라 전기적 접촉특성을 p형과 n형으로 자유롭게 선택하여 조정할 수 있음을 엑스레이 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy)으로 증명하였으며, 차세대 전자소자에 활용될 수 있을 것으로 전망했다.

공동 연구진은 “화학반응을 이용한 고체의 새로운 상변이 과정을 원자 수준의 직접적인 관찰을 통해 밝힌 것이 의미가 있으며, 향후 다양한 전자소자에 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

김형섭 교수 연구팀은 본 연구에 앞서 한국연구재단의 기초연구실사업(2014R1A4A1008474)의 지원을 받아 이황화몰리브덴의 합성 연구를 진행한 바 있으며, 그 후속연구로 삼성전자 종합기술원과 함께 이번 연구를 진행했다. 본 연구에는 삼성전자 종합기술원의 이향숙 전문연구원과 조연주 전문연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구결과는 재료 분야 세계적 권위 학술지인 Materials Today(Impact Factor=26.416, JCR ranking 상위 2.7%)'에 3.17(수) 온라인 게재되었다.

논문명: 3D-to-2D phase transformation through highly ordered 1D crystals from transition-metal oxides to dichalcogenides 논문 출처: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702121000560