정문석 교수팀, 나노광학 측정 통해

2차원 반도체의 결함신호 세계 최초 발견

- 나노과학 분야 최고 권위 국제 학술지 ACS Nano에 10월 23일자 게재 -

    에너지과학과 정문석 교수(교신저자)와 박사과정 이찬우 연구원(제 1 저자) 그리고 한국표준과학연구원 이승미 박사(교신저자) 공동연구팀은 탐침 증강 라만 분광법(tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS)*을 이용하여 2차원 단일 층 반도체인 이황화텅스텐(WS2)의 결함 관련 라만 산란 신호를 검출해냈다고 밝혔다.

*탐침 증강 라만 분광법(TERS) : 주사 탐침 현미경(scanning probe microscope, SPM)과 공초점 라만 분광법(confocal Raman spectroscopy)이 결합한 기술로써, 시료 표면의 물리적 구조뿐만 아니라 나노 단위의 영역에서 라만 신호를 관측할 수 있는 최첨단 나노 라만 분광법. 국제적으로 실현이 가능한 연구팀이 손꼽힐 정도로 매우 어려운 연구로 알려져 있다.

대표적 2차원 반도체인 단일 층 전이금속 칼코겐화합물은 1 나노미터(nm, 10억분의 1m) 미만의 두께로 매우 얇고 직접 밴드갭*을 가져, 초소형 광전소자와 웨어러블 기기 그리고 투명 유연소자 등 여러 반도체 소자 분야에서 많은 주목을 받고 있다. 특히 전이금속 칼코겐화합물 중에서 단일 층 이황화텅스텐(WS2)은 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 제각각으로 나오는 등 품질 평가 기준의 부재는 상용화에 매우 심각한 걸림돌이 되고 있다.

*밴드갭(Band gap) : 결정 물질의 전자 상태를 나타내는 에너지띠 사이에 전자의 상태가 존재하지 않는 에너지 영역

연구팀은 표면의 나노구조분석과 광학 실험이 동시에 가능한 탐침 증강 라만 분광법(TERS)을 이용하여 결함이 다수 존재하는 영역에서 지금껏 관찰되지 않았던 새로운 신호를 검출하였다. 더불어 이 신호가 반도체의 결함중 하나인 황(S) 원자의 공공(vacancy) 결함으로 나타난 신호임을 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산을 통해 확인하였다. 연구팀은 이를 결함(defect)에서 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 세계 최초로 검출해냈다는데 중요성이 있다”며 “앞으로 다양한 2차원 반도체 소재에 적용하여 품질평가 기준을 만들어 이를 통해 2차원 반도체의 상용화를 가속화 시킬 수 있는 탁월한 연구결과”라고 의미를 설명했다.

본 연구는 한국연구재단 중견연구자 사업 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 미국 화학회에서 발행하는 나노과학 분야의 최고 권위 국제 학술지중의 하나인 ACS Nano에 10월 23일 게재되었다.

* 기사링크

1) https://news.joins.com/article/23064336

2) http://www.dhnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=87237

3) http://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=131710