성균관대 정문석 교수팀, 나노광학 측정 통해 2차원 반도체의 결함신호 세계 최초 발견 미디어타임즈

성균관대 정문석 교수팀, 나노광학 측정 통해 2차원 반도체의 결함신호 세계 최초 발견

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

성균관대학교(총장 정규상) 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 25일 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.

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

연구 추가설명

논문명	Unveiling Defect-Related Raman Mode of Monolayer WS2 via Tip-Enhanced Resonance Raman Scattering
저자정보	이찬우1, 정병근1, 윤석준1, 이영희1, 이승미2, 정문석1 1성균관대학교 에너지과학과 2한국표준과학연구원
연구내용 보충설명	공명 라만(resonance Raman) 측정 시, 이황화텅스텐에서 방출되는 광발광(photoluminescence, PL)을 줄이기 위해 금 기판 위에 이황화텅스텐을 직접 성장하였다. 두 물질의 일함수 차이로 인해 전하 이동(charge transfer)이 발생하여, 이황화텅스텐의 광발광 방출을 막을 수 있었다. 검출된 결함 신호가 변형력(strain effect)에 의해 발생한 것인지 확인하기 위해 공초점 라만 분광법을 이용하였다. 결함 부위에서 변형력에 의한 물질의 광학적 특성은 나타나지 않아, 변형력이 결함 신호에 영향을 끼치지 않았다는 것을 입증할 수 있었다.
기타사항	[연구 배경] 2차원 반도체로 주목받고 있는 단일 층 전이금속 칼코겐화합물은 뚜렷한 광학적 결함 신호가 나타나지 않아, 시료의 품질을 평가 할 수 있는 기준이 모호하다. 그래핀과 같이 라만 분광법을 이용하여 품질을 결정할 수 있다면 반도체 소재 및 소자 분야에서 큰 도움이 될 것이라 예상하였다. 이에 따라, 높은 양자 효율을 갖는 단일 층 이황화텅스텐의 결함에 대해 연구하였다. [어려웠던 점] 탐침 증강 라만 이미징은 세계적으로 실현하기 매우 어려운 실험으로써 알려져 있다. 이름에서 알 수 있듯이 탐침은 탐침 증강 라만 분광법에서 가장 중요한 역할을 한다. 이에 따라 실험에 쓰이는 나노 탐침을 제작하기 위한 조건을 최적화 하였고, 직접 제작한 나노 탐침을 이용하여 탐침 증강 라만 이미징을 실현시킬 수 있었다. [성과 차별점] 세계 최초로 단일 층 이황화텅스텐에서 결함 신호를 검출하는데 성공하였다. 시료의 물리적 구조와 그에 따른 라만 신호의 상관관계를 최초로 측정 및 분석하여 결함으로부터 방출된 신호를 확인하였고, 이론적으로 실험 결과의 타당성을 입증하였다. [향후 연구계획] 이황화텅스텐과 같은 2차원 단일 층 반도체뿐만 아니라 다차원 반도체 소재의 결함과 새로운 광학적 특성을 밝혀낼 계획이다.

그림 설명

[그림 1]

탐침 증강 라만 분광법을 이용하여 이황화텅스텐의 결함신호 검출 모식도

[그림 2]

공초점 라만 분광법과 탐침 증강 라만 분광법 그리고 주사 터널링 현미경을 이용하여 얻은 단일 층 이황화텅스텐의 이미지와 결함 신호

< 정문석 에너지과학과 교수, 교신저자 >

1. 인적사항
○ 소 속 : 성균관대학교 에너지과학과
○ 전 화 : 031-299-4053
○ e-mail : mjeong@skku.edu

2. 학력

2000년 전북대학교 이학박사

3. 경력사항
2000년-2001년 University of Illinois at Urbana-Champaign 박사 후 연구원
2001년-2003년 한국전자통신연구원 선임연구원
2003년-2013년 광주과학기술원, 고등광기술연구소 선임연구원/책임연구원
2009년-2013년 광주과학기술원, 고등광기술연구소 나노광학연구실장
2013년-2015년 성균관대학교 에너지과학과 조교수
2015년-현재 성균관대학교 에너지과학과 부교수
2017년-현재 성균관대학교 에너지과학과 BK21 플러스 연구단장/학과장

4. 전문 분야 정보

한국 진공학회 운영이사
한국 탄소학회 이사
한국 물리학회 반도체분과 운영위원
국제표준기구(ISO TC229) 전문위원
국제전기위원회(IEC TC113) 프로젝트 리더/전문위원

< 이찬우 에너지과학과 연구원, 제 1 저자 >

1. 인적사항
○ 소 속 : 성균관대학교 에너지과학과
○ 전 화 : 010-9946-8912
○ e-mail : chanwoo@skku.edu

2. 학력
2015년 단국대학교 자연과학대학 응용물리학과 이학사
2015년-현재 성균관대학교 대학원 에너지과학과 석/박사 통합과정

3. 수상실적
2015년 한국물리학회 봄 학술논문발표회 구두 발표 우수상
2016년 International Symposium on the Physics of Semiconductor and Applications (ISPSA 2016) 포스터 발표 최우수상
2017년 Muju International Winter School Series 포스터 발표 우수상