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1T 가장자리 개질된 2H 이황화몰리브덴의 가교를 통한 고효율 박막트렌지스터


차세대 소자 구현이 주목 받으면서 플랙서블 박막트랜지스터(TFT)에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 이차원 물질 중 하나인 이황화몰리브덴(MoS2)은 광학, 전기적, 화학적 특성이 우수해 전계효과 트랜지스터(FET)에 활용되고 있다. 하지만 대부분 합성 연구는 화학증착에 집중되어있어, 값싼 용액 공정으로 결정성을 유지하면서 MoS2를 제조할 수 있는 하는 방안이 필요하다.


기초과학연구원 나노구조물리 연구단 부단장 (IBS-CINAP, 단장 이영희) 및 화학과 소속 교수, 이효영 교수님 연구팀은 금속이온을 전혀 사용하지 않고 유기화합물 만으로 MoS2의 가장자리만 선택적으로 개질해 용액 공정으로 MoS2 FET구현을 에너지과학과 소속 정문석 교수님과 공동 연구했다(ACS Nano, 2017, 11, 12832-12839). 가장자리에 1T 상을, 기저는2H 상을 가진 MoS2(edge-1T basal-2H MoS2)를 만들기 위해 유기화합물인 4-Carboxy-benzenediazonium(+N2-benzene-COOH) tetrafluoroborate이라는 다이아조늄 염과 MoS2를 반응했다. 노출되어있는 벌크 MoS2의 가장자리에 있는 친핵성 황과 친전자성 +benzene-COOH 다이아조늄 염이 반응한다. 극성의 COOH 작용기가 MoS2 사이에 정전기적 반발을 형성하면서 벌크가 단일층으로 박리해 HOOC-benzene-MoS2(e-MoS2)가 만들어진다. 기저의 대면적 부분은 반도체 특성을 갖는 2H 결정성을 유지한 채, 가장자리 부분만 개질하면서 전도성 특성을 갖는 1T나 1T’ 상으로 바뀐다.


일반적으로 알려진 n-BuLi로 박리한 MoS2(n-MoS2)나 기저까지 개질된 MoS2(b-MoS2)는 박리 및 개질 과정에서 물질 기저 부분의 2H 상이 금속성의 1T나 1T’로 변하지만, e-MoS2는 대면적의 기저 부분이 2H 결정성을 유지하고 있어서 기존에 비해 높은 이동도(1.2 cm2/(V s))와 점멸비(106)가 나타났다. 이러한 소자 특성은 양이온성 고분자인 polydiallyldimethylammonium chloride(PDDA) 처리를 추가하면 더 향상된다. 양이온 고분자인 PDDA 층 위에 음전하를 띠는 COOH가 있는 e-MoS2로 박막을 만들게 되면 이온 결합으로 인한 분자간 결합력이 향상돼 채널 박막이 더 균일하게 형성된다. 높은 결정성과 PDDA에 의한 낮은 contact resistance 때문에 e-MoS2/PDDA 소자를 SiO2/Si 기판에 구현하면 드레인 전압이 1일 때 평균이동도 170.8 cm2/(V s)로 증가했다. 플랙서블 소자를 만들기 위해 e-MoS2/PDDA 소자를 PDMS/PET 기판 위에 구현했을 때에도 이동도 36.34 cm2/(V s)와 점멸도 103로 우수한 결과가 나왔다.


이차원 물질의 화학적, 전기적, 광학적 특성을 바꾸는 전략으로서 가장자리 개질 방법은 MoS2뿐만 아니라 다양한 이차원 층상 벌크 무기물질에 적용할 수 있다. 이는 다양한 이차원 재료를 저비용으로 전자 기기에 적용할 수 있다는 점에서 큰 잠재력을 가지고 있다.

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