모스크바 물리 기술 연구소(Moscow Institute of Physics and Technology)의 연구원들은 수십 평방 센티미터에 이르는 이황화 몰리브덴의 원자 단위 얇은 필름을 성장시키는 데 성공했습니다. 합성 온도를 변화시킴으로써 재료의 구조가 변형될 수 있다는 것이 입증되었습니다. 전자공학과 광전자공학에 중요한 필름은 섭씨 900~1,000°에서 얻어졌습니다. 연구 결과는 ACS Applied Nano Materials 저널에 게재되었습니다.

2차원 물질은 구조와 양자역학적 제한으로 인한 독특한 특성으로 인해 상당한 관심을 끌고 있습니다. 2D 재료 계열에는 금속, 반금속, 반도체 및 절연체가 포함됩니다. 아마도 가장 유명한 2차원 물질인 그래핀은 탄소 원자의 단층 구조입니다. 현재까지 기록된 가장 높은 전하 캐리어 이동성을 가지고 있습니다. 그러나 그래핀은 표준 조건에서 밴드 갭이 없으며 이로 인해 응용이 제한됩니다.

그래핀과 달리 이황화 몰리브덴(MoS2)의 최적 밴드갭 폭은 전자 장치에 사용하기에 적합합니다. 각 MoS2 층은 두 황 원자 층 사이에 몰리브덴 층이 압착된 샌드위치 구조를 가지고 있습니다. 다양한 2차원 재료를 결합한 2차원 반데르발스 이종구조 역시 큰 가능성을 보여줍니다. 실제로, 이들은 이미 에너지 관련 응용 분야 및 촉매 작용에 널리 사용되고 있습니다. 2D 이황화 몰리브덴의 웨이퍼 규모(대면적) 합성은 투명하고 유연한 전자 장치의 생성, 차세대 컴퓨터를 위한 광통신은 물론 전자 및 광전자공학의 기타 분야에서 획기적인 발전의 가능성을 보여줍니다.

“우리가 MoS2를 합성하기 위해 고안한 방법은 두 단계를 포함합니다. 먼저, MoO3 필름은 원자층 증착 기술을 사용하여 성장합니다. 이 기술은 정확한 원자층 두께를 제공하고 모든 표면에 컨포멀 코팅을 가능하게 합니다. MoO3는 최대 직경 300mm의 웨이퍼에서도 쉽게 얻을 수 있습니다. 다음으로 필름을 유황 증기에서 열처리합니다. 결과적으로 MoO3의 산소 원자가 황 원자로 대체되어 MoS2가 형성됩니다. 우리는 이미 최대 수십 제곱센티미터의 면적에서 원자적으로 얇은 MoS2 필름을 성장시키는 방법을 배웠습니다.”라고 MIPT의 원자층 증착 연구소 책임자인 Andrey Markeev는 설명합니다.

연구진은 막의 구조가 황화 온도에 따라 달라진다는 사실을 확인했습니다. 500°C에서 황화된 필름에는 비정질 매트릭스에 매립된 각각 수 나노미터의 결정립이 포함되어 있습니다. 700°C에서 이러한 결정의 폭은 약 10-20 nm이고 S-Mo-S 층은 표면에 수직으로 배향됩니다. 결과적으로 표면에는 수많은 댕글링 본드(dangling bond)가 존재합니다. 이러한 구조는 수소 발생 반응을 포함한 많은 반응에서 높은 촉매 활성을 보여줍니다. MoS2를 전자 제품에 사용하려면 S-Mo-S 층이 표면과 평행해야 하며 이는 황화 온도 900~1,000°С에서 달성됩니다. 생성된 필름은 1.3 nm만큼 얇거나 두 개의 분자 층을 가지며 상업적으로 중요한(즉, 충분히 큰) 면적을 갖습니다.

최적의 조건에서 합성된 MoS2 필름은 강유전성 하프늄 산화물을 기반으로 하고 전계 효과 트랜지스터를 모델링하는 금속-유전체-반도체 프로토타입 구조에 도입되었습니다. 이러한 구조의 MoS2 필름은 반도체 채널 역할을 했습니다. 강유전체층의 분극방향을 전환함으로써 전도성을 제어하였다. 이전에 MIPT 연구실에서 개발된 La:(HfO2-ZrO2) 물질은 MoS2와 접촉할 때 제곱센티미터당 약 18마이크로쿨롱의 잔류 분극을 갖는 것으로 밝혀졌습니다. 500만 주기의 스위칭 내구성으로 실리콘 채널의 이전 세계 기록인 100,000주기를 넘어섰습니다.