KR101708751B1 - 플라즈마 흡착 및 탈착을 통한 이차원 물질의 전자 구조 조절법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이차원 물질(two dimensional material) 상에 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 흡착하는 단계; 및 상기 이차원 물질 상에 수소로 플라즈마 처리를 하여 상기 수소가 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소와 결합하여 화합물을 만들어 상기 이차원 물질의 표면으로부터 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소를 탈착하는 단계;를 포함하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법을 제공한다.
Description
본 발명은 이차원 물질(two-dimensional material)의 전자 구조 조절법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 이차원 물질 상에 플라즈마 흡착 및 탈착하는 과정을 통하여 이차원 물질을 n형, p형 또는 중성 도핑된 상태로 가역적으로 만들거나 이차원 물질의 전자 밴드 구조를 변형시키는 방법에 관한 것이다.
최근, 이차원 전이 금속 디칼코게나이드(transition-metal dichalcogenides)는, 단일층(monolayer)의 두께를 가질 때 직-간접 밴드갭 천이(indirect-to-direct transition)를 통하여 상당한 밴드갭을 갖는 것과 같은 우수한 광전자(optoelectronic) 물성과 펨토초-펄스 레이저(femtosecond-pulse laser)에 적합한 위상 절연체(topological insulator) 물성을 가지는 것으로 인하여 전자 및 광 어플리케이션에서 눈에 띄는 주목을 받고 있다. 특히, 이차원 물질에서 유전 차폐(dielectric screening)가 감축되고 전이 금속 원소의 d-오비탈로부터 발생하는 전하 운반체(charge carriers)의 유효 질량이 증가함으로 인하여, 단일층 전이 금속 디칼코게나이드은 광학적으로 생성되는 전자 및 정공 사이의 쿨롱 상호 작용(Coulombic interaction)이 확연히 증가하고 이에 따라 상온에서도 안정적인 전자-정공 쌍(엑시톤(exciton))을 만들 수 있다. 이러한 엑시톤들은 추가적으로 전자 또는 정공과 결합하여 전하를 띠게 되어 대전된 엑시톤(charged exciton), 즉, 트리온(trion)이 될 수 있다.
자연 상태에서의 전이 금속 디칼코게나이드는 일반적으로 과량의 트리온이 존재하는 n-도핑된 상태이며 이로 인하여, 단일층 전이 금속 디칼코게나이드는 고품질의 직접 밴드갭 반도체에서 기대되는 것보다 확연히 작은 광루미네센스(photoluminescence, PL)를 보인다. 이러한 단일층 전이 금속 디칼코게나이드의 낮은 PL 강도는 전자 밀도를 낮추어 트리온 대 엑시톤의 전환을 유도함으로써 확연히 증가될 수 있다.
종래, 전이 금속 디칼코게나이드의 PL 성능을 조절하기 위한 전하 도핑 방법으로서 전기장 적용 및 가스 물리흡착이 제안되었다. 그러나, 이러한 방법들은 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)의 복잡한 구조 및 가스 유량의 정밀한 제어와 같은 요구들로 인하여 적용 범위가 제한되었다. 또한, 전기 게이트 바이어스(electric gate bias)의 MoS2-FET의 전달 특성에 대한 영향은, 일반적인 환경 하에서 포지티브 바이어스(positive bias) 또는 네거티브 바이어스(negative bias)에 따라 각각 MoS2 표면에서 산소 및 물의 흡착 또는 탈착을 통한 전하 트래핑이 일어나기 때문에 결과적으로 게이트 바이어스 극성에 의존하여 크게 변화할 수 있다.
최근, Mauri 등은 단일층-MoS2의 PL 특성을 조정하기 위한 효율적이고 편리한 수단으로서 용액-기반 화학적 도핑의 사용을 제안하였다(Mouri, S., Miyauchi, Y. & Matsuda, K. Tunable photoluminescence of monolayer MoS2 via chemical doping. Nano Lett . 13, 5944-5948 (2013)). 그들은 표면을 덮는 물질이 p형 2,3,5,6-테트라플루오로-7,7,8,8-테트라시아노퀴노디메탄(2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane, F4-TCNQ) 인가 n형 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(nicotinamide adenine dinucleotide, NADH)인가에 따라 단일층-MoS2의 PL 강도가 증가 또는 감소할 수 있다는 것을 보였다. 그러나, 그 단순함에도 불구하고, F4-TCNQ 분자의 휘발 성질 및 적절한 PL 동작을 위하여 필요한 넓은 표면 커버리지(surface coverage) 때문에 상기 방법을 사용할 때에 열 안정성, 교차-오염(cross-contamination) 및 분자 센싱에 관하여 심각한 문제들을 야기하였다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 플라즈마 기반의 새로운 흡착 및 탈착 방법을 통하여 이차원 물질의 전자 구조(electronic structure)를 가역적으로 조절하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질의 전자 구조 조절법은 이차원 물질(two dimensional material) 상에 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 흡착하는 단계; 및 상기 이차원 물질 상에 수소로 플라즈마 처리를 하여 상기 수소가 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소와 결합하여 화합물을 만들어 상기 이차원 물질의 표면으로부터 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소를 탈착하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질의 전자 구조 조절법은 이차원 물질 상에 수소로 플라즈마 흡착하는 단계; 및 상기 이차원 물질 상에 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 처리를 하여 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소가 상기 수소와 결합하여 화합물을 만들어 상기 이차원 물질의 표면으로부터 상기 수소를 탈착하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 이차원 물질은 전이 금속 디칼코게나이드(transition-metal dichalcogenide), 그래핀, 흑인(black phosphorene) 및 질화 붕소(boron nitride)로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
일 예로, 상기 전이 금속 디칼코게나이드는 Ti, V, Zn, Nb, Mo, Tc, Pd, Hf, Ta, W, Re 및 Pt 로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 전이 금속의 칼코겐(chalcogen) 화합물일 수 있다.
일 예로, 상기 전이 금속 디칼코게나이드는 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2 및 WTe2로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
일 예로, 상기 할로겐 원소는 불소 또는 염소일 수 있다.
일 예로, 상기 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 흡착하는 단계 전에 상기 이차원 물질의 목표 전자 구조를 설정하는 단계를 더 포함하고, 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소를 탈착하는 단계에서 상기 목표 전자 구조에 따라 결정된 시간 동안 상기 수소로 플라즈마 처리할 수 있다.
일 예로, 상기 수소로 플라즈마 흡착하는 단계 전에 상기 이차원 물질의 목표 전자 구조를 설정하는 단계를 더 포함하고, 상기 수소를 탈착하는 단계에서 상기 목표 전자 구조에 따라 결정된 시간 동안 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소로 플라즈마 처리할 수 있다.
일 예로, 상기 이차원 물질은 단일층 또는 다층 이차원 물질일 수 있다.
일 예로, 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소를 탈착하는 단계 후, 상기 이차원 물질에 상기 수소로 계속 플라즈마 처리하여 상기 이차원 물질의 표면에 상기 수소를 흡착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 수소를 탈착하는 단계 후, 상기 이차원 물질에 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소로 계속 플라즈마 처리하여 상기 이차원 물질의 표면에 상기 할로겐 원소 또는 상기 수소를 흡착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소를 탈착하는 단계에서 상기 이차원 물질의 전 영역을 상기 수소로 플라즈마 처리할 수 있다.
일 예로, 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소를 탈착하는 단계에서 상기 이차원 물질의 일부 영역을 상기 수소로 플라즈마 처리할 수 있다.
일 예로, 상기 일부 영역에서 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소가 모두 탈착된 후, 상기 일부 영역을 상기 수소로 플라즈마 처리할 수 있다.
일 예로, 상기 수소를 탈착하는 단계에서 상기 이차원 물질의 전 영역을 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소로 플라즈마 처리할 수 있다.
일 예로, 상기 수소를 탈착하는 단계에서 상기 이차원 물질의 일부 영역을 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소로 플라즈마 처리할 수 있다.
일 예로, 상기 일부 영역에서 상기 수소가 모두 탈착된 후, 상기 일부 영역을 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소로 플라즈마 처리할 수 있다.
본 발명에 의하면, 이차원 물질 상에 할로겐 원소 또는 산소 플라즈마 처리와 수소 플라즈마 처리를 순차적으로 사용함으로써 상기 할로겐 원소 또는 산소 및 수소의 이차원 물질으로의 흡착(이차원 물질에서는 도핑과 같은 개념)의 양을 가역적으로 자유롭게 조절할 수가 있다. 이를 통해 이차원 물질이 금속 디칼코게나이드인 경우에는 이차원 물질의 전자 밀도 상태를 n형, p형 또는 중성 상태로 가역적으로 변화시킬 수 있으며, 이차원 물질이 그래핀인 경우에는 전자 밴드 구조를 가역적으로 변화시켜 이차원 물질의 페르미 에너지 준위 및 밴드 갭 크기를 현저하게 변화시킬 수 있다.
이에 의하여, 금속 디칼코게나이드 이차원 물질의 PL의 강도를 자유롭게 조절하거나 그래핀 이차원 물질의 전자 구조를 가역적으로 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질의 전자 구조 조절법을 단계별로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질의 전자 구조 조절법을 단계별로 나타낸 흐름도이다.
도 3은 MoS2 샘플의 AFM 사진, 라만 스펙트라 및 PL 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 4는 염소 플라즈마 도핑이 단일층 MoS2의 PL 특성에 주는 영향을 나타낸 것이다.
도 5는 단일층 MoS2에서 플라즈마 처리 시간(염소 도핑 시간)에 따른 PL 강도의 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 염소 도핑된 단일층 MoS2에서 플라즈마 처리 시간(수소 도핑 시간)에 따른 PL 강도의 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질의 전자 구조 조절법을 단계별로 나타낸 흐름도이다.
도 3은 MoS2 샘플의 AFM 사진, 라만 스펙트라 및 PL 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 4는 염소 플라즈마 도핑이 단일층 MoS2의 PL 특성에 주는 영향을 나타낸 것이다.
도 5는 단일층 MoS2에서 플라즈마 처리 시간(염소 도핑 시간)에 따른 PL 강도의 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 염소 도핑된 단일층 MoS2에서 플라즈마 처리 시간(수소 도핑 시간)에 따른 PL 강도의 변화를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질의 전자 구조 조절법을 단계별로 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질의 전자 구조 조절법은 이차원 물질 상에 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 흡착하는 단계(S1), 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 흡착된 상기 이차원 물질 표면을 수소로 플라즈마 처리하여 상기 수소가 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소와 결합하여 화합물을 만들어 상기 이차원 물질의 표면으로부터 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소를 탈착하는 단계(S2), 및 상기 이차원 물질에 상기 수소로 계속 플라즈마 처리하여 상기 이차원 물질의 표면에 상기 수소를 흡착하는 단계(S3)를 포함할 수 있다.
이차원 물질은 원자들이 소정의 단결정 또는 다결정 구조를 이루고 있는 단원자층 구조물로 이루어진 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이차원 물질은 단일층(monolayer)이거나, 여러 개의 단일층으로 이루어진 다층(multilayer)일 수 있다.
이차원 물질은 전이 금속 디칼코게나이드, 그래핀, 흑인 및 질화 붕소로 이루어지는 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
전이 금속 디칼코게나이드는 전이 금속과 두 개의 칼코겐으로 이루어진 화합물로서 강한 원자간 공유 결합이 층내에 형성되어 있다. 다층의 전이 금속 디칼코게나이드는 층간에 약한 반데르발스 힘으로 연결된 층상 구조를 가진다. 이러한 전이 금속 디칼코게나이드는 밴드갭을 가져 반도체 특성을 보인다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전이 금속 디칼코게나이드는 Ti, V, Zn, Nb, Mo, Tc, Pd, Hf, Ta, W, Re 및 Pt로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 전이 금속의 칼코겐 화합물일 수 있다. 구체적으로, 상기 전이 금속 디칼코게나이드는 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2 및 WTe2로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.
이차원 물질 상에 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 흡착하는 단계(S1)에서, 이차원 물질의 전자 밀도가 크게 변화할 수 있다. 예를 들어, 이차원 물질이 전이 금속 디칼코게나이드인 경우, 자연 상태에서 전이 금속 디칼코게나이드는 전자 밀도가 높아 트리온이 많은 상태로 존재한다. 여기에 전자 수용체인 할로겐 원소 또는 산소를 플라즈마 흡착(즉, 도핑)하는 경우, 전자 수용체에 의하여 표면의 전자 밀도가 낮아지면서 엑시톤의 함량이 높아진다. 엑시톤의 함량이 높아짐으로 인하여 이차원 물질의 표면은 전체적으로 중성을 띤다. 이때, 전자 수용체로 플라즈마 처리하기 전보다 PL 강도는 확연히 상승하게 된다. 상기 할로겐 원소는 불소 또는 염소일 수 있다.
상기 이차원 물질 상에 수소로 플라즈마 처리를 하여 상기 수소가 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소와 결합하여 화합물을 만들어 상기 이차원 물질의 표면으로부터 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소를 탈착(즉, 디도핑)하는 단계 (S2)에서, 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소가 효율적이면서도 조절 가능하게 탈착됨에 따라, 상기의 이차원 물질은 S1 단계를 수행하기 전의 전자 밀도 상태로 가역적이면서도 점진적으로 돌아갈 수 있다.
예를 들어, 이차원 물질이 전이 금속 디칼코게나이드인 경우, 할로겐 원소 또는 산소의 플라즈마 흡착으로 엑시톤의 함량이 높아진 이차원 물질의 표면에 전자 공여체인 수소 원소로 플라즈마 처리함으로써, 할로겐 원소 또는 산소가 수소 에 의해 탈착될 수 있다. 할로겐 원소 또는 산소가 탈착된 상기의 이차원 물질의 엑시톤은 가역적으로 트리온으로 전환되게 된다.
S2 단계에서, 상기 이차원 물질의 전 영역을 수소로 플라즈마 처리할 수 있다. 이차원 물질 전 영역을 수소로 플라즈마 처리하는 경우, 이차원 물질 표면 상의 할로겐 원소 또는 산소가 모두 탈착될 수 있다.
또한, S2 단계에서 상기 이차원 물질의 일부 영역만을 플라즈마 처리할 수 있다. 이 경우, 플라즈마 처리된 일부 영역만 할로겐 원소 또는 산소가 탈착되고, 나머지 영역은 할로겐 원소 또는 산소가 잔존할 수 있다.
S1 단계 전에 상기 이차원 물질의 목표 전자 구조를 설정하고, S2 단계에서 상기 설정된 구조에 따라 결정된 시간 동안 상기 수소로 플라즈마 처리하여 원하는 이차원 물질의 전자 구조를 얻을 수 있다.
상기 이차원 물질에 상기 수소로 플라즈마 처리하여 상기 이차원 물질의 표면에 상기 수소를 흡착하는 단계(S3)에서, 상기 이차원 물질 표면 상의 할로겐 원소 또는 산소가 모두 탈착된 후 수소를 흡착할 수 있다. 예를 들어, 이차원 물질이 전이 금속 디칼코게나이드인 경우, S2 단계에서 할로겐 원소가 모두 탈착된 후에도 계속하여 수소로 플라즈마 처리하면 금속 디칼코게나이드 이차원 물질에 수소가 도핑되고 결과적으로 트리온이 더 많아지게 되어 초기 보다 더 n-도핑된 상태를 만들 수 있다.
또한, S3 단계에서, 일부 영역에서 할로겐 원소 또는 산소가 탈착된 이차원 물질의 경우, 상기 탈착된 영역에만 수소로 플라즈마 처리하여 수소가 흡착되게 함으로써, 이차원 물질 표면 상에 할로겐 원소 또는 산소가 흡착된 영역과 수소가 흡착된 영역이 공존할 수 있다. 이러한 이차원 물질은 다이오드(diode)와 같은 소자로서 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질의 전자 구조 조절법을 단계별로 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질의 전자 구조 조절법은 이차원 물질 상에 수소로 플라즈마 흡착하는 단계(S4), 수소로 플라즈마 흡착된 상기 이차원 물질 표면을 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 처리하여 상기 할로겐 원소 또는 산소가 상기 수소와 결합하여 화합물을 만들어 상기 이차원 물질의 표면으로부터 상기 수소를 탈착하는 단계(S5), 및 상기 이차원 물질에 상기 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 처리하여 상기 이차원 물질의 표면에 상기 할로겐 원소 또는 산소를 흡착하는 단계(S6)를 포함할 수 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 방법에 비하여 탈착 효율성이 떨어질 수 있으나, 이에 의하여도 가역적으로 이차원 물질 표면의 전자 구조를 조절할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 2에 도시된 전자 구조 조절법에 적용된 이차원 물질은 도 1에 도시된 이차원 물질과 동일한 것일 수 있다.
S5 단계에서, 상기 이차원 물질의 전 영역을 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 처리할 수 있다. 이차원 물질 전 영역을 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 처리하는 경우, 이차원 물질 표면 상의 수소가 모두 탈착될 수 있다.
또한, S5 단계에서 상기 이차원 물질의 일부 영역만을 플라즈마 처리할 수 있다. 이 경우, 플라즈마 처리된 일부 영역만 수소가 탈착되고, 나머지 영역은 수소가 잔존할 수 있다.
S4 단계 전에 상기 이차원 물질의 목표 전자 구조를 설정하고, S5 단계에서 상기 설정된 구조에 따라 결정된 시간 동안 상기 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 처리하여 원하는 이차원 물질의 전자 구조를 얻을 수 있다.
상기 이차원 물질에 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소로 플라즈마 처리하여 상기 이차원 물질의 표면에 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소로 흡착하는 단계(S6)에서, 상기 이차원 물질 표면 상의 수소가 모두 탈착된 후 할로겐 원소 또는 산소를 흡착할 수 있다.
또한, S6 단계에서, 일부 영역에서 수소가 탈착된 이차원 물질의 경우, 상기 탈착된 영역에만 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 처리하여 할로겐 원소 또는 산소가 흡착되게 함으로써, 이차원 물질 표면 상에 할로겐 원소 또는 산소가 흡착된 영역과 수소가 흡착된 영역이 공존할 수 있다. 이러한 이차원 물질은 다이오드(diode)와 같은 소자로서 적용될 수 있다.
이와 같이, S1 단계, S2 단계 및 S3 단계를 통하여 이차원 물질의 전자 구조를 가역적으로 쉽게 변화시킬 수 있게 된다.
일반적으로, 단일층 MoS2에서 엑시톤의 PL 강도(IA) 및 트리온의 PL 강도(IA-)는 각각 다음 수학식 1 및 수학식 2로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
[수학식 2]
상기 수학식 1 및 수학식 2에서, A는 비례상수이고, NA 및 NA-는 각각 엑시톤과 트리온의 수(population)이고, γA 및 γA -는 각각 엑시톤과 트리온의 방사성 붕괴율(radiative decay rate)이고, ГA 및 ГA-는 각각 엑시톤과 트리온의 붕괴율(decay rate)이다. 따라서, 엑시톤의 PL 강도(IA) 및 트리온의 PL 강도(IA-)는 각각 엑시톤의 수(NA) 및 트리온의 수(NA-)에 비례한다.
또한, 엑시톤과 트리온의 PL 강도(IA, IA-)는 다음 수학식 3과 같이 전자 밀도(nel) 및 트리온의 결합에너지(Eb)와 관련된다.
[수학식 3]
상기 수학식 3에서, h는 플랑크 상수이고, kB는 볼츠만 상수이고, T는 온도이고, me, mA 및 mA-는 각각 전자, 엑시톤 및 트리온의 유효 질량이고, γA 및 γA -는 각각 엑시톤과 트리온의 방사성 붕괴율이다. 상기 수학식 3에 의하여, 전자 밀도(nel)를 가역적으로 조절함에 따라 이차원 물질의 PL 강도를 자유롭게 조절할 수 있다.
상기에 적용된 이차원 물질의 대상은 그래핀일 수 있으며, 이 경우에 할로겐 원소 또는 산소의 도핑 및 수소의 도핑은 전자 밀도 보다는 그래핀 물질의 화학결합 형태(sp3와 sp2)와 페르미 에너지 준위 및 밴드갭을 가역적으로 현저히 변화시켜 준다. (예, hydrogenated graphene, pristine graphene, fluorinated graphene).
이와 같이, 본원 발명은 이차원 물질의 전자 구조를 가역적으로 조절하는 것이 가능하므로, 이차원 발광 다이오드, 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor), 전자-광학 모듈레이터(electron-optic modulator), 온 칩 레이저 (on-chip laser)와 같은 어플리케이션에 적용 가능할 수 있다. 또한, PL 강도의 변화를 감지할 수 있는 분자 센서 (molecular sensor) 및 가스 센서(gas sensor)에도 적용 가능할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
<실시예>
MoS
2
샘플 제조
벌크 MoS2(SPI supplies Inc.) 결정으로부터 미세 기계적인 방법(예를 들어 scotch tape 방법)으로 단일층(1L) 또는 이중층(2L)의 MoS2를 박리하였다. 이후, 박리된 MoS2를 300 nm 두께의 SiO2 층이 덮인 실리콘 기판 위에 배치하였다. 상기 박리된 MoS2가 단일층임을 확인하기 위하여 원자력 현미경(atomic force microscope, AFM) 사진을 촬영하였고, 라만 분광기 및 PL 분광기를 이용하였다. 라만 분광기 및 PL 분광기를 이용한 측정에서, 여기된 방사선은 중심 파장이 532 nm인 ND:YAG 레이저에 의해 유도되었고, 레이저 파워는 과열로 인한 샘플의 손상을 방지하기 위하여 0.45 mW 이하로 유지하였다. PL 방출은 1.5 cm-1의 스펙트랄 해상도에서 밀리미터 당 100X objective 및 1800 grooves로 수집되었고, 라만 방출은 0.6 cm-1의 스펙트랄 해상도에서 밀리미터 당 100X objective 및 2400 grooves로 수집되었다. PL 및 라만 스펙트라는 공랭식 CCD 검출기를 사용하여 측정되었다.
도 3은 MoS2 샘플의 AFM 사진, 라만 스펙트라 및 PL 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, (a)에서 MoS2 샘플의 AFM 사진이 도시되어 있으며, (b)에서 (a)에 도시된 녹색 선을 따라 측정된 측면 두께의 변화가 도시되어 있다. (a) 및 (b)를 보면, 스텝 높이(step height)가 대략 0.7 nm 임을 알 수 있는데, 이는 MoS2 결정의 단일층 두께인 0.6 nm와 비슷하였다. 상기 두께의 작은 차이는 AFM 측정시 채용된 비접촉 모드에 의한 것으로 추정된다. (c)에서, E2g 1(in-plane) 및 A1g(out-of-plane) 라만 모드 사이의 진동수 차이는 각각 18.5 cm-1 및 21.5 cm- 1 이었는데, 이는 각각 MoS2의 단일층(1L) 또는 이중층(2L)에 해당하는 값이었다. (d)에서, MoS2의 PL 스펙트럼은 680 nm 및 625 nm에서 두 개의 분명한 PL 밴드를 보인다(각각 A, B로 표시함). 이러한 PL 밴드는 각각 Brillouin 영역에서 K 및 K`포인트의 직접 전환과 관련되고, 에너지 차이는 강한 스핀-오빗 상호 작용(spin-orbit interaction)으로부터 기인하는 가전자 대역 분열(valence-band splitting)과 관련된다. A 피크는 간접-직접 밴드갭 전환으로 인하여 두께가 단일층(1L)으로 줄어듬에 따라 확연히 증가한 것을 보여준다. 상기 (a)~(d)를 통하여 MoS2가 단일층임을 확인할 수 있었다.
염소(Cl) 플라즈마 도핑
단일층 MoS2 표면에 ECR/RIE(electron-cyclotron resonance-reactive ion etcher, Plasmalab 100 ICP system, Oxford Inst.)를 이용하여 염소를 플라즈마 도핑하였다. 이 때, ICP power는 100 W이고, 유량은 80 sccm이고, 압력은 20 mTorr이었다.
도 4는 염소 플라즈마 도핑이 단일층 MoS2의 PL 특성에 주는 영향을 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, (a)에서 단일층 MoS2 표면에 염소가 플라즈마 도핑되는 것이 도식화되었다.
(b)에서 언도핑된 단일층 MoS2(pristine)의 A 밴드의 약한 PL 강도(intensity)가 염소 플라즈마 도핑에 의해 트리온 PL로부터 엑시톤 PL로 전환됨으로 인하여 크게 상승하는 것을 확인할 수 있다.
(c)에서 A 밴드는 각각 엑시톤(1.84 eV) 및 트리온 공명(1.88 eV)에 상응하는 A0 피크와 A- 피크로 이루어진다. 단일층 MoS2의 PL 스펙트럼으로부터 각 스펙트랄 웨이트(spectral weight)를 얻기 위하여 다중 로렌치안 피크 피팅(multiple Lorentzian peak fits)을 사용하였다. MoS2의 PL 스펙트럼이 상기 두 개의 피크 성분들(적색 및 자홍색 영역)의 합(적색 파선)에 의하여 잘 재현되고, 0.45 mW의 레이저 파워가 사용된 경우에 B 엑시톤 피크 성분(회색 영역)이 대표적으로 도시되었다.
(d)에서 트리온의 PL 강도(자홍색) 및 엑시톤의 PL 강도(적색)는 각각 레이저 파워(power)에 크게 영향을 받는 것을 알 수 있는데, 레이저 파워와 선형 상관 관계를 보인다. 또한, 트리온의 기울기가 엑시톤의 기울기보다 크다.
도 5는 단일층 MoS2에서 플라즈마 처리 시간(염소 도핑 시간)에 따른 PL 강도의 변화를 나타내는 것이다.
도 5를 참조하면, (a)에서 플라즈마 처리되지 않은(pristine) 경우의 PL 강도로부터 염소로 플라즈마 처리하는 시간을 점차적으로 14초까지 증가시킨 경우의 각 PL 강도를 나타내었다. 플라즈마 처리되지 않은 것과 비교할 때, PL 강도가 최대 4~5배 증가하였는데, 이는 PL 강도를 조절하는 어플리케이션에 적용하기에 충분한 것이다. 또한, PL 스펙트럼 피크는 플라즈마 처리 시간이 길어짐에 따라 점차 청색 편이(blueshift)하였는데, 이는 엑시톤 피크(A0)의 지배적인 증가로 인한 것이다.
(b)에서 플라즈마 처리 시간에 따른 엑시톤(A0, 적색 원), 트리온(A-, 자홍색 원) 및 이들의 총합(A0+A-, 흑색 원)의 PL 강도를 나타내었다. 여기서, 실선은 엑시톤의 경우 상기 수학식 1, 트리온의 경우 상기 수학식 2를 이용하여 피팅(fitting)한 결과이다. 플라즈마 처리 시간이 0초 일 때, 트리온의 피크가 엑시톤의 피크보다 큰데 이는 플라즈마 처리 전 MoS2의 표면에 전자가 풍부한 것을 보여준다. 염소로 플라즈마 처리를 수행함에 따라 엑시톤 피크의 강도는 상승하나 트리온 피크의 강도는 일정하게 유지되었고, 총합(A0+A-)의 강도는 증가하였다. 따라서, 충분한 전하의 중성화가 이루어졌을 때, 총합의 PL 강도는 엑시톤의 PL에 지배당하는 것을 알 수 있다.
(c)에서 상기 수학식 3에 의하여 구해진 전자 밀도(electron density)를 플라즈마 처리 시간에 따라 나타내었다. 플라즈마 처리 시간이 증가함에 따라 전자 밀도가 감소하는 것을 알 수 있다.
(d)에서 (a)에서 측정된 엑시톤 피크와 트리온 피크의 공명 에너지(ωA0-ωA -) 차이를 전자 밀도의 변화에 따라 나타내었다. 이론적으로, 이차원 전자 가스 모델(2D electron gas model) 영역에서 엑시톤 에너지와 트리온 에너지의 차이는 전자 밀도에 의존하여 비례한다는 것이 알려져 있다. 실험 결과(experiment, 흑색 원)는 이론적으로 예측된 선형 피팅(linear fit, 적색 선) 관계를 잘 만족하고 있다. 상기 선형 피팅 선의 절편값으로부터 트리온 결합 에너지(Eb)가 28 meV임을 예측할 수 있는데, 이는 보고된 이론값인 26 meV와 잘 부합한다.
수소(H) 플라즈마 도핑
염소 도핑된 MoS2 표면에 ECR/RIE(electron-cyclotron resonance-reactive ion etcher, Plasmalab 100 ICP system, Oxford Inst.)를 이용하여 수소를 플라즈마 도핑하였다. 이 때, ICP power는 100 W이고, 유량은 80 sccm이고, 압력은 20 mTorr이었다.
도 6은 염소 도핑된 단일층 MoS2에서 플라즈마 처리 시간(수소 도핑 시간)에 따른 PL 강도의 변화를 나타내는 것이다.
도 6을 참조하면, (a)에서 염소로 14초간 플라즈마 도핑된 MoS2에 수소로 플라즈마 처리하는 시간을 점차적으로 12초까지 증가시킨 경우의 각 PL 강도를 나타내었다. 수소 플라즈마 처리 시간을 늘릴수록 염소로 도핑되어 증가한 PL 강도가 플라즈마 처리되지 않은 것(pristine)의 PL 강도와 유사한 수준으로 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
(b)에서 플라즈마 처리 시간에 따른 엑시톤(A0, 녹색 원), 트리온(A-, 남색 원) 및 이들의 총합(A0+A-, 회색 원)의 PL 강도를 나타내었다. 엑시톤, 트리온, 총합의 PL 강도는 염소 플라즈마 도핑의 경우와 비슷한 궤적을 따라 도 4와 반대 방향으로 변하였다.
(c)에서 상기 수학식 3에 의하여 구해진 전자 밀도(electron density)를 플라즈마 처리 시간에 따라 나타내었다. 도 4의 염소 플라즈마(자홍색 원) 도핑된 경우의 전자 밀도와 수소 플라즈마(남색 원) 처리된 PL 강도를 약간의 시간 스케일링(12초/14초)을 거쳐 동시에 나타내었는데, 이를 통하여 도 4의 (c)의 궤적과 수소 플라즈마 처리 시간에 따른 전자 밀도의 변화 궤적이 매우 유사함을 알 수 있다.
(d)에서 (a)에서 측정된 엑시톤 피크와 트리온 피크의 공명 에너지(ωA0-ωA -) 차이를 전자 밀도의 변화에 따라 나타내었다. 도 4의 (d)의 염소 플라즈마 처리된 공명 에너지 차이(1st, 흑색 원)와, 수소 플라즈마 처리된 공명 에너지 차이(2nd, 회색 원) 및 수소 플라즈마 처리 후 다시 염소 플라즈마 처리된 공명 에너지 차이(3rd, 진녹색 원)을 동시에 나타내었다. 이를 통하여 상기 공명 에너지 차이들은 모두 이론에 잘 부합함을 알 수 있다.
도 6의 결과를 통하여, 염소 도핑된 MoS2에 수소 플라즈마 처리를 하여 MoS2 표면의 가역적 전자 구조 조절이 가능함을 알 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 특정한 실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
Claims (17)
- 이차원 물질(two dimensional material) 상에 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 흡착하는 단계; 및
상기 이차원 물질 상에 수소로 플라즈마 처리를 하여 상기 수소가 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소와 결합하여 화합물을 만들어 상기 이차원 물질의 표면으로부터 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소를 탈착하는 단계;를 포함하고,
상기 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 흡착하는 단계 전에 상기 이차원 물질의 목표 전자 구조를 설정하는 단계를 더 포함하고,
상기 할로겐 원소 또는 상기 산소를 탈착하는 단계에서 상기 목표 전자 구조에 따라 결정된 시간 동안 상기 수소로 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 이차원 물질 상에 수소로 플라즈마 흡착하는 단계; 및
상기 이차원 물질 상에 할로겐 원소 또는 산소로 플라즈마 처리를 하여 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소가 상기 수소와 결합하여 화합물을 만들어 상기 이차원 물질의 표면으로부터 상기 수소를 탈착하는 단계;를 포함하고,
상기 수소로 플라즈마 흡착하는 단계 전에 상기 이차원 물질의 목표 전자 구조를 설정하는 단계를 더 포함하고,
상기 수소를 탈착하는 단계에서 상기 목표 전자 구조에 따라 결정된 시간 동안 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소로 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이차원 물질은 전이 금속 디칼코게나이드(transition-metal dichalcogenide), 그래핀, 흑인(black phosphorene) 및 질화 붕소(boron nitride)로 이루어진 군에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 제3항에 있어서,
상기 전이 금속 디칼코게나이드는 Ti, V, Zn, Nb, Mo, Tc, Pd, Hf, Ta, W, Re 및 Pt 로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 전이 금속의 칼코겐(chalcogen) 화합물인 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 제4항에 있어서,
상기 전이 금속 디칼코게나이드는 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2 및 WTe2로 이루어진 군에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 할로겐 원소는 불소 또는 염소인 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 삭제
- 삭제
- 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이차원 물질은 단일층 또는 다층 이차원 물질인 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 제1항에 있어서,
상기 할로겐 원소 또는 상기 산소를 탈착하는 단계 후, 상기 이차원 물질에 상기 수소로 계속 플라즈마 처리하여 상기 이차원 물질의 표면에 상기 수소를 흡착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 제2항에 있어서,
상기 수소를 탈착하는 단계 후, 상기 이차원 물질에 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소로 계속 플라즈마 처리하여 상기 이차원 물질의 표면에 상기 할로겐 원소 또는 상기 수소를 흡착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 제1항에 있어서,
상기 할로겐 원소 또는 상기 산소를 탈착하는 단계에서 상기 이차원 물질의 전 영역을 상기 수소로 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 제1항에 있어서,
상기 할로겐 원소 또는 상기 산소를 탈착하는 단계에서 상기 이차원 물질의 일부 영역을 상기 수소로 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 제13항에 있어서,
상기 일부 영역에서 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소가 모두 탈착된 후, 상기 일부 영역을 상기 수소로 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 제2항에 있어서,
상기 수소를 탈착하는 단계에서 상기 이차원 물질의 전 영역을 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소로 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 제2항에 있어서,
상기 수소를 탈착하는 단계에서 상기 이차원 물질의 일부 영역을 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소로 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법. - 제16항에 있어서,
상기 일부 영역에서 상기 수소가 모두 탈착된 후, 상기 일부 영역을 상기 할로겐 원소 또는 상기 산소로 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질의 전자 구조 조절법.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108389779A (zh) * | 2018-02-13 | 2018-08-10 | 江南大学 | 一种基于温和氢气等离子体的半金属相碲化钼的制备方法 |
| CN114063203A (zh) * | 2021-11-11 | 2022-02-18 | 浙江传媒学院 | 一种表面等离激元光调制器和光电器件 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100026413A (ko) * | 2008-08-29 | 2010-03-10 | 삼성전자주식회사 | 가변저항 메모리 장치 및 그것의 형성방법 |
| KR101348059B1 (ko) * | 2012-07-06 | 2014-01-03 | 성균관대학교산학협력단 | 산소 플라즈마 처리된 채널층을 포함한 박막 트랜지스터 및 이의 제조 방법 |
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2015
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR20100026413A (ko) * | 2008-08-29 | 2010-03-10 | 삼성전자주식회사 | 가변저항 메모리 장치 및 그것의 형성방법 |
| KR101348059B1 (ko) * | 2012-07-06 | 2014-01-03 | 성균관대학교산학협력단 | 산소 플라즈마 처리된 채널층을 포함한 박막 트랜지스터 및 이의 제조 방법 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108389779A (zh) * | 2018-02-13 | 2018-08-10 | 江南大学 | 一种基于温和氢气等离子体的半金属相碲化钼的制备方法 |
| CN108389779B (zh) * | 2018-02-13 | 2020-11-06 | 江南大学 | 一种基于温和氢气等离子体的半金属相碲化钼的制备方法 |
| CN114063203A (zh) * | 2021-11-11 | 2022-02-18 | 浙江传媒学院 | 一种表面等离激元光调制器和光电器件 |
| CN114063203B (zh) * | 2021-11-11 | 2023-12-12 | 浙江传媒学院 | 一种表面等离激元光调制器和光电器件 |
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