KR101993365B1 - 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법 - Google Patents
전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101993365B1 KR101993365B1 KR1020170151580A KR20170151580A KR101993365B1 KR 101993365 B1 KR101993365 B1 KR 101993365B1 KR 1020170151580 A KR1020170151580 A KR 1020170151580A KR 20170151580 A KR20170151580 A KR 20170151580A KR 101993365 B1 KR101993365 B1 KR 101993365B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- transition metal
- chalcogen compound
- chalcogen
- eutectic
- metal chalcogen
- Prior art date
Links
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 174
- -1 transition metal chalcogen compound Chemical class 0.000 title claims abstract description 144
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 52
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 49
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 claims abstract description 48
- 150000001787 chalcogens Chemical class 0.000 claims abstract description 44
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 43
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims abstract description 30
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 4
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 claims description 34
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 29
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 28
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 28
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 22
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 21
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000011669 selenium Substances 0.000 claims description 14
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 9
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 8
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 7
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 claims description 6
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 5
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 4
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000003623 transition metal compounds Chemical class 0.000 claims 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract description 6
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 abstract description 6
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 abstract description 4
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 39
- 239000002127 nanobelt Substances 0.000 description 14
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 14
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 13
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 12
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 12
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 150000001786 chalcogen compounds Chemical class 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 3
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 150000003497 tellurium Chemical class 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 229910000570 Cupronickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910000905 alloy phase Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- YOCUPQPZWBBYIX-UHFFFAOYSA-N copper nickel Chemical compound [Ni].[Cu] YOCUPQPZWBBYIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000001017 electron-beam sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- MGRWKWACZDFZJT-UHFFFAOYSA-N molybdenum tungsten Chemical compound [Mo].[W] MGRWKWACZDFZJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- QZCHKAUWIRYEGK-UHFFFAOYSA-N tellanylidenecopper Chemical compound [Te]=[Cu] QZCHKAUWIRYEGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NPEUSMKUOOTUGX-UHFFFAOYSA-N tellanylidenenickel Chemical compound [Te]=[Ni] NPEUSMKUOOTUGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N telluride(2-) Chemical compound [Te-2] XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/46—Sulfur-, selenium- or tellurium-containing compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/22—Sandwich processes
Abstract
본 발명은, 산소에 대한 반응성이 낮고 기화가 방지되는 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법은, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 상에 전이금속을 포함하는 전이금속층을 형성하는 단계; 상기 전이금속층 상에 공융금속합금용 금속층을 형성하는 단계; 상기 공융금속합금용 금속층에 칼코젠을 제공하여 칼코젠 공융금속합금을 형성하는 단계; 및 상기 전이금속이 상기 칼코젠 공융금속합금 내로 확산하여 상기 칼코젠 공융금속합금에 포함된 상기 칼코젠과 상기 전이금속이 결합하여 전이금속 칼코젠 화합물을 형성하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명의 기술적 사상은 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 관한 것이다.
그래핀과 같은 2차원 평면형 물질은 높은 전기 전도성 등 전자 장치로의 적용을 위한 우수한 여러 가지 특성을 가지므로 연구개발이 활발하게 수행되고 있다. 그러나, 그래핀은 높이 방향으로의 전기 전도성이 낮은 한계를 가지므로, 이러한 한계를 극복하기 위한 대안적인 물질의 개발도 진행되고 있다. 상기 대안적인 물질로서 전이금속 칼코젠 화합물이 제시되고 있으나, 칼코젠이 산소에 대한 반응성이 높고, 기화가 쉽게 되어 전자 장치로의 응용이 어려운 한계가 있다.
전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법으로서, 스카치 테이프를 이용하는 등의 탑-다운(Top-down) 방식은 단결정 형성에 용이하지만, 균일성과 수율이 낮고, 대량 생산이 어렵다. 그러나, 증착 방식을 이용하는 바텀-업(Bottom-up) 방식은 대량 생산이 용이하나 단결정을 형성하기 어렵고, 높은 압력, 높은 온도 및 긴 시간을 요구하는 문제점이 있다. 특히, 텔루륨(Te)은 산소에 대한 반응성이 높고, 기화가 쉽게 되어 화학적양론비가 맞는(stoichiometric) 이텔루륨 전이금속 화합물의 바텀-업 합성 결과는 거의 연구되지 못하고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 산소에 대한 반응성이 낮고 기화가 방지되는 화학양론적비가 맞는 고품위 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법은, 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 상에 전이금속을 포함하는 전이금속층을 형성하는 단계; 상기 전이금속층 상에 공융금속합금용 금속층을 형성하는 단계; 상기 공융금속합금용 금속층에 칼코젠을 제공하여 칼코젠 공융금속합금을 형성하는 단계; 및 상기 전이금속이 상기 칼코젠 공융금속합금 내로 확산하여 상기 칼코젠 공융금속합금에 포함된 상기 칼코젠과 상기 전이금속이 결합하여 전이금속 칼코젠 화합물을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판은 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiO2) 및 알루미늄 산화물(Al2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 전이금속은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 텔루륨(Te), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 레늄(Re), 코발트(Co), 니켈(Ni), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 이들의 합금상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 공융금속합금용 금속층은 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 칼코젠은 황(S), 셀레늄(Se), 및 텔루륨(Te) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 칼코젠 공융금속합금을 형성하는 단계 및 상기 전이금속 칼코젠 화합물을 형성하는 단계는 상기 공융금속합금용 금속층이 구리인 경우에는 300 ℃ 내지 500 ℃ 의 온도 범위에서 수행될 수 있으며, 상기 칼코젠 공융금속합금의 금속층 종류에 따라 50 ℃ 내지 1,200 ℃ 의 온도 범위에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 전이금속 칼코젠 화합물은 일차원 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 전이금속 칼코젠 화합물은 WTe2, MoTe2, 및 WxMo1 - xTe2 (여기에서, 0<x<1) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법은 액상의 칼코젠 공융금속합금을 이용하여, 석출공정(precipitation)을 통한 텔루륨계 1차원 단결정 나노 구조체의 전이금속 칼코젠 화합물을 제조할 수 있다. 본 발명에 따라, 기존의 바텀-업 방식에서 사용된 기상 증착법의 산화성 증가 및 증발 등의 한계를 극복할 수 있고, 전이금속 칼코젠 화합물 및 이종구조를 이용하여 차세대 정보소자의 구현을 이룰 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 전이금속 칼코젠 화합물은, 고순도, 화학량론비가 맞는 텔루륨계 전이금속 칼코젠 화합물의 단결정 나노구조체를 형성할 수 있고, 종래의 닫힌 계(closed system)에서의 매우 긴 반응시간, 고온에서의 기상반응에 의한 많은 결함을 가지는 벌크 구조체 형성 및 재현성 확보의 어려움 등과 같은 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 전이금속 칼코젠 화합물은, 단결정 나노구조체의 형상 및 두께 조절, 화합물 나노구조체 합성, 조성 조절, 도판트(dopant)의 분포양상, 결함 및 계면 구조 등에 대한 정밀한 제어 등을 통해 우수한 물리적 특성들을 가지므로, 다양한 응용을 기대할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 화학 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 밴드 구조를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법(S100)을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법을 설명하는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에서 칼코젠 공융금속합금에 대한 상태도를 나타내는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물의 주사전자현미경 및 투과전자현미경 사진들이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 조성 변화에 따른 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 X-선 회절패턴을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 1차원 형상을 갖는 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 성장 시간에 따른 치수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물의 두께에 따른 비저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 온도와 비저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 전기적 특성을 측정하기 위한 장치이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 전기장과 전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 두께에 따른 비저항 및 전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 전기장과 전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 두께(H)와 항복전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 항복전류밀도와 비저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 인가 전력과 파괴 직전 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 밴드 구조를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법(S100)을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법을 설명하는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에서 칼코젠 공융금속합금에 대한 상태도를 나타내는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물의 주사전자현미경 및 투과전자현미경 사진들이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 조성 변화에 따른 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 X-선 회절패턴을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 1차원 형상을 갖는 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 성장 시간에 따른 치수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물의 두께에 따른 비저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 온도와 비저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 전기적 특성을 측정하기 위한 장치이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 전기장과 전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 두께에 따른 비저항 및 전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 전기장과 전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 두께(H)와 항복전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 항복전류밀도와 비저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 인가 전력과 파괴 직전 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명의 기술적 사상은 1차원 구조의 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법을 제공하는 것으로서, 칼코젠 물질이, 특히 텔루륨(Te)이 산소와 반응성이 높은 문제와 기화가 쉽게 되는 문제를 해결하기 위하여, 액상의 공융금속합금(eutectic metal alloys)를 형성하여, 불순물과 결함이 최소화되고, 조성을 조절하면서, 나노 단결정으로 구성된 1차원 전이금속 칼코젠 화합물을 저온과 짧은 시간에 제조하는 것을 제공하는 것이다.
전이금속 칼코젠 화합물(transition metal chalcogen compound)는 층상 구조(layered structure)를 갖는다는 측면에서 그래핀과 구조적으로 유사하지만, 변조가 가능한 직접 천이형 밴드갭 구조를 가지고 있어 구조적 안정성을 가지면서 동시에 높은 전하 이동도와 우수한 광반응성을 갖는 등의 특성을 보유하여, 초저전력 기반의 차세대 정보소자에의 응용에 매우 적합한 최첨단 신소재로 제안되고 있다. 특히, 텔루륨(Tellurium, Te)을 포함하는 전이금속 칼코젠 화합물은 매우 크고 포화되지 않는, 예를 들어 WTe2 의 경우에는 60 테슬라 및 0.53 K에서 최대 13,000,000 % 까지의 자기 저항(magnetoresistance) 특성을 가지고, MoTe2 의 경우에는 최대 4,000 cm2Vs-1, WTe2 의 경우에는 최대 10,000 cm2Vs- 1 의 우수한 전하 이동도를 가지고, 높은 품질의 단일층(monolayer) WTe2 혹은 MoTe2 박막에서의 2차원 위상 절연체(topological insulator)의 형성이 가능하며, 조성 변화가 가능한 높은 품질의 (WxMo1 -x)Te2 (여기에서, 0<x<1) 화합물 박막을 형성하는 경우, 변조가 가능한 바일 반금속(Weyl semimetal)을 구현할 수 있는 등의 특성을 제공할 수 있다. 이에 따라, 초전도성(superconductivity) 및 양자 스핀 홀 연구(quantum spin Hall effect) 등과 같은 전자기 양자물성 연구에 있어 우수한 플랫폼 소재로서 응용될 수 있고, 또한 이러한 우수한 전자기 특성들에 기반하고 또한 다른 저차원 나노소재, 예를 들어 그래핀이나 BN와 같은 이차원 소재 등, 와의 이종구조 형성을 통해 양자 위상(quantum phase)를 이용하는 차세대 전자소자, 스핀트로닉스(spintronics)에 기반한 차세대 자기소자, 고효율 열전 소자(thermoelectric devices) 및 상변이 메모리 소자(phase change memory devices) 등의 차세대 초저전력 정보소자에의 높은 응용가능성이 예상된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 화학 구조를 나타내는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 전이금속 칼코젠 화합물은 1T, 2H, 3R 등과 같은 화학 구조를 가질 수 있다. 칼코젠 물질로서 황(S)이나 셀레늄(Se)을 포함하는 경우에는, 2H 구조를 안정상으로 가지는 것이 일반적이며, 반도체 성질을 가지게 된다. 반면, 칼코젠 물질로서 텔루륨(Te)을 가지는 경우에는 1T' 구조를 안정상으로 가지며, 금속 성질을 가지게 된다.
전이금속 칼코젠 화합물은 전이금속(IV족 내지 X족)과 칼코젠 원자(S, Se, 또는 Te)의 종류에 따라 약 40 가지 이상 존재하지만, 현재까지 연구로는 기계적 박리법(mechanical exfoliation)으로 획득한 플레이크(flake) 샘플이거나 또는 벌크 결정에서 획득한 샘플들이며, 높은 품질의 전이금속 칼코젠 화합물의 나노 구조체의 직접적인 합성은 연구되지 못하는 실정이다. 특히, 1T' 구조를 안정상으로 가지는 텔루륨(Te)을 포함하는 전이금속 칼코젠 화합물은 결정 구조의 이방성으로 인하여 기계적 박리법을 이용하여도 마이크로 크기 이상 수준의 박막의 획득이 용이하지 않아 그 물성조차도 매우 제한적으로 알려져 있다.
특히, 텔루륨(Te)을 포함하는 전이금속 칼코젠 화합물의 경우에는, 황(S)이나 셀레늄(Se)을 포함하는 전이금속 칼코젠 화합물에 비하여, 전이금속과 텔루륨 원자들 간의 반응성이 낮고 형성 엔탈피가 높으며, 또한 텔루륨 원자 자체의 매우 높은 평형증기압과 공기 중의 산소와의 매우 높은 반응성 등으로 인해 기존의 기상 증착법을 이용하여서는 높은 품질의 소재 합성이 매우 어렵다. 따라서, 현재까지는 텔루륨 계열 고품위 전이금속 칼코젠 화합물 나노소재 합성에 관한 관련 보고가 전세계적으로 거의 전무한 실정이며, 차세대 정보소자 구현을 위한 전이금속 칼코젠 화합물 나노소재의 도핑(doping) 및 이종구조(heterostructure) 구현은 물론 (WxMo1-x)Te2 (여기에서, 0<x<1) 과 같은 화합물 합성에 관한 실험적 결과 또한 전세계적으로 전무한 실정이다. 또한 기상증착법을 이용하여 텔루륨 계열 전이금속 칼코젠 화합물 나노소재 합성에 성공한다고 해도, 그래핀 및 황이나 셀레늄 계열 전이금속 칼코젠 화합물에 관한 선행연구에서 알 수 있듯이 다결정(polycrystalline) 형태의 결정립 및 결함들(defects)이 다수 포함된 박막의 형성이 불가결하여 차후 해당소재의 물성연구 및 소자응용연구에 한계가 있다.
특히, 나노 와이어, 나노 벨트, 나노 튜브 등과 같은 1차원 나노 구조를 갖는 전이금속 칼코젠 화합물은 두 개의 공간축에서의 나노 크기의 치수, 높은 비표면적, 양자가둠효과(quantum confinement effect) 등으로 인해 기존의 2차원 나노 구조의 전이금속 칼코젠 화합물에서는 발견할 수 없는 새로운 물리적 현상의 발견이 기대되어 미래 초저전력 정보소자에의 활용성의 확대가 가능할 것으로 보인다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 밴드 구조를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 전이금속 칼코젠 화합물은 2차원 구조(2H)를 가지는 경우와 비교하여 1차원 구조(1T, 1T')를 가지는 경우 다양한 밴드 갭을 제공할 수 있는 장점이 있음을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법(S100)을 설명하는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법(S100)은, 기판을 제공하는 단계(S110); 상기 기판 상에 전이금속을 포함하는 전이금속층을 형성하는 단계(S120); 상기 전이금속층 상에 공융금속합금용 금속층을 형성하는 단계(S130); 상기 공융금속합금용 금속층에 칼코젠을 제공하여 칼코젠 공융금속합금을 형성하는 단계(S140); 및 상기 전이금속이 상기 칼코젠 공융금속합금 내로 확산하여 상기 칼코젠 공융금속합금에 포함된 상기 칼코젠과 상기 전이금속이 결합하여 전이금속 칼코젠 화합물을 형성하는 단계(S150);를 포함한다.
상기 기판은 결정질 물질이나 비결정질 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiO2), 및 알루미늄 산화물(Al2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 전이금속은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 텔루륨(Te), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 레늄(Re), 코발트(Co), 니켈(Ni), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 이들의 합금상을 포함할 수 있다. 상기 공융금속합금용 금속층은 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 이들의 합금상을 포함할 수 있다. 상기 칼코젠은 황(S), 셀레늄(Se), 및 텔루륨(Te) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 전이금속층을 형성하는 단계와 상기 공융금속합금용 금속층을 형성하는 단계는 각각 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 저압 CVD(Low Pressure CVD, LPCVD), 플라즈마 강화 CVD(Plasma Enhanced CVD, PECVD), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD), 또는 스퍼터링(sputtering) 등을 이용하여 수행할 수 있다.
상기 칼코젠 공융금속합금을 형성하는 단계 및 상기 전이금속 칼코젠 화합물을 형성하는 단계는 상기 공융금속합금용 금속층의 종류에 따라 다양한 온도 범위에서 수행될 수 있고, 예를 들어 50 ℃ 내지 1,200 ℃ 의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 공융금속합금용 금속층이 구리인 경우에는 300 ℃ 내지 500 ℃ 의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기 온도 범위는 공융금속합금을 형성하는 온도 범위에 해당되며, 상기 전이금속이 상기 칼코젠 공융금속합금 내로 확산을 가능하게 하는 온도 범위에 해당된다. 또한, 상기 칼코젠 공융금속합금을 형성하는 단계 및 상기 전이금속 칼코젠 화합물을 형성하는 단계는 1분 내지 1시간 범위에서 수행될 수 있고, 예를 들어 10분 정도에서 수행될 수 있다.
이와 같이 형성한 상기 전이금속 칼코젠 화합물은 일차원 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 전이금속 칼코젠 화합물은 WTe2, MoTe2, 및 WxMo1 - xTe2 (여기에서, 0<x<1) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법을 설명하는 모식도이다.
도 4를 참조하면, 실리콘 산화물(SiO2)/실리콘(Si) 기판 상에 상기 전이금속층으로서 텅스텐(W)층을 형성하고, 상기 텅스텐층 상에 상기 공융금속합금층으로서 구리(Cu)층을 형성한다. 상기 텅스텐층을 대신하여 몰리브덴층을 형성하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함되며, 텅스텐/몰리브텐 다층박막을 형성하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 또한, 상기 구리층을 대신하여 니켈층, 금층, 은층, 팔라듐층, 또는 구리-니켈과 같은 다양한 합금층을 형성하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함되며, 이 외의 촉매용 금속 및 합금층을 포함할 수 있다. 이어서, 상기 칼코젠으로서, 텔루륨을 기체 상태로서 제공하여 상기 구리층의 구리와 상기 텔루륨이 반응하여 상기 칼코젠 공융금속합금으로서 CuxTey 을 형성한다. 여기에서, "x"와 "y"는 구리와 텔루륨의 조성에 따라 변화될 수 있다. 또한, 상기 텔루륨을 대신하여 황 또는 셀레늄을 이용하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 이어서, 상기 텅스텐이 상기 칼코젠 공융금속합금 내로 확산하여 상기 칼코젠 공융금속합금에 포함된 상기 텔루륨과 상기 텅스텐이 반응하여 나노 벨트(nanobelt) 형상의 나노 구조체의 전이금속 칼코젠 화합물을 형성한다. 이러한 전이금속 칼코젠 화합물은, 예를 들어 WTe2, MoTe2, WxMo1 - xTe2 일 수 있다.
여기에서, 상기 전이금속 칼코젠 화합물을 형성하는 과정에서, 구리 등의 물질과 텔루륨과 같은 칼코젠 물질을 액상의 칼코젠 공융금속합금을 형성하고, 이에 따라 상기 칼코젠 물질이 산소와 반응하거나 기화되는 것을 방지할 수 있다. 상기 칼코젠 물질은 상술한 바와 같이 황, 셀레늄, 및 텔루륨을 이용할 수 있고, 텔루륨의 경우가 가장 우수한 특성을 가짐을 확인하였다. 또한, 상기 전이금속은 모든 종류의 전이금속을 이용할 수 있고, 텅스텐 및 몰리브덴의 경우가 가장 우수한 특성을 가짐을 확인하였다. 또한 텅스텐/몰리브덴 다층박막을 도입한 경우, 조성조절이 가능한 WxMo1 - xTe2 을 형성함을 확인하였다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에서 칼코젠 공융금속합금에 대한 상태도를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 상기 칼코젠 공융금속합금으로서 구리와 텔루륨의 상태도(phase diagram)가 나타나있다. 상기 상태도에서, 텔루륨의 함량이 많은 CuxTey (copper telluride)는 반응공정 중 유동성있는 액체 방울(liquid droplet) 형태로서 존재하게 된다. 이러한 특성은 비록 상온에서 구리/텡스텐 계는 서로 혼합되지 않는 비혼합계(immiscible system)로 나타나지만, 구리의 용융점(melting temperature)에서는 표면 근처에서 구리와 텅스텐 간 혼합이 되는 현상과 유사한 효과를 CuxTey/W 계 또는 CuxTey/Mo 계에서 나타나게 한다. 뿐만 아니라 상온에서 층착된 텅스텐 또는 몰리브덴 박막은 다수의 점 결함, 선 결함, 격자결함 및 기공 결함 같은 많은 결함들이 가지게 된다. 이러한 결함들에 의하여 텅스텐 또는 몰리브덴의 용융온도보다 매우 낮은 온도에서도 CuxTey/W 계면 또는 CuxTey/Mo 계면에서 상호확산(intermixing) 층을 형성하게 되고, 이에 따라 CuxTey 기반 액체 방울 내에서의 텅스텐-텔루륨 결정 또는 몰리브덴-텔루륨 결정이 석출되어, 고순도, 화학량론적비가 맞는 텔루륨 계열의 단결정 1차원 전이금속 칼코젠 화합물 나노구조체가 성장할 수 있다. 이와 더불어, 전이금속 칼코젠 화합물은 댕글링 결합(dangling bond)이 없는 표면특성을 가지므로, 표면/계면 에너지의 최소화를 위한 자기조립 현상에 기반한 고방위 방향을 가지는 나노 구조체가 성장할 수 있다.
이와 더불어, 종래에는 텅스텐이나 몰리브덴의 박막 표면에서의 자연적인 산화 현상에 따른 산화층의 형성으로 텅스텐-텔루륨 사이 또는 몰리브덴-텔루륨 사이의 반응이 저하되어 텅스텐-텔루륨 결정 또는 몰리브덴-텔루륨 결정의 형성이 어려웠으나, 칼코젠 공융금속합금이 텅스텐 또는 몰리브덴의 고상 소스의 산화를 방지하는 보호막의 기능을 수행함의 예측할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물의 주사전자현미경 및 투과전자현미경 사진들이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 약 500℃ 이하의 온도에서 약 10 분의 공정 시간 동안 형성한 WTe2 의 전이금속 칼코젠 화합물이 나타나 있다. 칼코젠 공융금속합금을 이용하는 경우, 전이금속 칼코젠 화합물이 나노 벨트 형상의 1차원 나노 구조체로서 형성되었다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 조성 변화에 따른 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 X-선 회절패턴을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, (WxMo1 -x)Te2 에 대한 X-선 회절패턴이 나타나 있다. MoTe(x=0 인 경우)로부터 WTe(x=1 인 경우)로 변화하여도 최대 피크가 명확하게 나타나므로 결정성이 우수함을 알 수 있다. 또한, 텅스텐의 함량이 증가함에 따라 최대 피크의 브래그 각도가 감소되었으나, 감소 정도는 몰리브덴과 텅스텐의 함량에 따라 선형 비례관계를 나타내는 것으로 분석된다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법은 (WxMo1 -x)Te2 에 대하여 몰리브덴과 텅스텐을 다양한 조성 비율로서 함유한 전이금속 칼코젠 화합물을 형성할 수 있다. 또한, 상기 전이금속 칼코젠 화합물은 불순물이나 결함이 최소화된 나노 단결정을 형성함을 알 수 있다.
텔루륨계 전이금속 칼코젠 화합물을 이용한 차세대 초저전력 정보소자 응용성 확대를 위해서는 필수적인 중요 기술적 요소로서, 도핑 기술, (W, Mo) 원소들이 섞인 (WxMo1 -x)Te2 화합물 성장기술 및 화합물 내에 텅스텐/몰리브덴 비율 조절에 따른 물리적 특성의 제어 기술이 개발되어야 한다. 그러나, 종래의 전이금속 칼코젠 화합물 성장방법으로는 이러한 개발을 이룰 수 없었지만, 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 고함량 텔루륨 구리(또는 니켈)에 대한 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법을 제공하여 상기 개발이 용이하게 실현 가능할 것으로 기대된다. 예를 들어, 선증착된 텅스텐 또는 몰리브덴 박막 위에 도핑하고자 하는 이질 원소를 전자빔 증착이나 스퍼터링 등을 이용하여 증착하거나 텅스텐과 몰리브덴을 교차 증착방법을 통해 텅스텐/몰리브덴 다층 박막을 형성하여, 성장 공정 시 유동성 구리-텔루륨 공융금속합금 또는 니켈-텔루륨 공용금속합금 기지 내에 주입되는 반응원소들을 조절 및 제어함으로서, 이에 따라 도핑된 텔루륨계 전이금속 칼코젠 화합물이 성장되거나, 텅스텐과 몰리브덴이 섞인 (WxMo1 -x)Te2 화합물이 성장될 수 있다. 뿐만 아니라 텅스텐/몰리브덴 다층박막의 각각의 텅스텐이나 몰리브덴 박막의 두께 조절을 통하여 전이금속 칼코젠 화합물 내의 텅스텐/몰리브덴의 비율을 제어할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 1차원 형상을 갖는 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 성장 시간에 따른 치수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 전이금속 칼코젠 화합물로서 WTe2 나노 벨트에 대한 결과가 나타나 있다. 반응 시작 후 10분 까지는 성장이 촉진되어 두께(thickness), 폭(width), 및 길이(length) 모두 급격하게 증가하였다. 반응 시간이 10분이 경과된 후에는 두께, 폭, 및 길이 모두 거의 변화하지 않았다. 따라서, 10분 정도의 매우 짧은 반응 시간으로 전이금속 칼코젠 화합물을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물의 두께에 따른 비저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 전이금속 칼코젠 화합물로서 WTe2 나노 벨트에 대한 결과가 나타나 있다. 전이금속 칼코젠 화합물의 두께가 4.7 nm, 15 nm, 및 27 nm로 증가함에 따라 비저항이 증가하였다. 또한, 온도에 대하여는 거의 동일한 수치를 나타내었으나, 두께가 얇으면 (4.7 nm의 경우임) 온도가 증가됨에 따라 비저항이 다소 감소되는 경향을 나타내었고, 두께가 두꺼우면 (27 nm의 경우임) 온도가 증가됨에 따라 비저항이 다소 증가되는 경향을 나타내었다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 온도와 비저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 전이금속 칼코젠 화합물로서 4.7 nm 두께의 WTe2 나노 벨트에 대한 결과가 나타나 있다. 온도에 따른 저항 값의 변화는 두 개의 특징적인 선형 관계를 나타내며, 고온에서는 Ea가 6.3 meV인 선형 관계, 저온에서는 Ea가 -0.76 meV인 선형관계를 나타내었다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 전기적 특성을 측정하기 위한 장치이다.
도 12를 참조하면, 1차원 전이금속 칼코젠 화합물(WTe2 나노 벨트)로 구성된 4 개의 전극을 은/구리의 금속과 접촉시키고, 4점 측정을 통한 전류와 전압을 측정하여 전기적 특성들을 측정하였다.
이하에서는, 낮은 전기장을 인가한 경우의 전기적 특성 결과를 도 13 및 도 14을 참조하여 설명하기로 한다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 전기장과 전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 전이금속 칼코젠 화합물로서 WTe2 나노 벨트에 대한 결과가 나타나 있다. 모든 경우에 대하여 전기장이 증가함에 따라 전류밀도가 증가하였다. 그러나, 상기 전이금속 칼코젠 화합물이 9.7 nm의 두께를 가지는 경우, 기울기가 가장 크게 나타났고, 13 nm, 15 nm, 및 48 nm로 상기 전이금속 칼코젠 화합물의 두께가 증가됨에 따라 기울기는 감소되었다. 두께 9.7 nm에 비하여 작은 4.7 nm 두께인 경우의 기울기는 13 nm 두께인 경우의 기울기와 거의 유사한 크기로 나타났다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 두께에 따른 비저항 및 전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 전이금속 칼코젠 화합물로서 WTe2 나노 벨트에 대한 결과가 나타나 있다. 상기 전이금속 칼코젠 화합물의 두께에 대하여 비저항과 전류밀도는 거의 변화되지 않음을 알 수 있다. 다만, 상기 두께가 20 nm를 초과하는 경우에는 전류밀도는 다소 감소하는 경향이 있고, 비저항은 다소 증가되는 경향이 나타났다.
이하에서는, 높은 전기장을 인가한 경우의 전기적 특성 결과를 도 15 내지 도 18을 참조하여 설명하기로 한다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 전기장과 전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15를 참조하면, 전이금속 칼코젠 화합물로서 WTe2 나노 벨트에 대한 결과가 나타나 있다. 전기장이 증가함에 따라 전류밀도가 증가하지만, 일정한 지점에서 전류밀도가 급격하게 저하되는 항복 현상이 발생한다. 상기 전이금속 칼코젠 화합물의 두께가 4.5 nm의 결과와 13 nm 의 결과를 비교하면, 두 경우 모두 공기 노출된 경우이며, 상기 두께가 작을수록, 상기 항복 지점이 높은 전기장과 높은 전류밀도에서 나타난다. 또한, 공기 노출(air exposure)되고 두께 13 nm인 결과와 덮개층 장착(capped)되고 두께 15 nm와 비교하면, 덮개층이 장착된 경우에 상기 항복 지점이 높은 전기장과 높은 전류밀도에서 나타난다. 또한, 공기 노출된 두께 4.5 nm인 전이금속 칼코젠 화합물의 경우, 최대 100 MA/cm2에 가까운 매우 높은 항복전류밀도 값을 나타내는데 이는 현 구리 기반 전기배선 소재의 항복전류밀도에 비해 10 배 이상 우수한 값으로 추후 해당소재의 전자소자 내 전기배선으로의 높은 응용가능성을 가짐을 나타낸다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 두께(H)와 항복전류밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16을 참조하면, 전이금속 칼코젠 화합물로서 WTe2 나노 벨트에 대한 결과가 나타나 있다. 전이금속 칼코젠 화합물의 두께가 감소할수록 항복전류밀도가 증가됨을 알 수 있다. 공기 노출(air exposure), 덮개층 장착(capped), 진공(vacuum) 사이의 차이는 거의 나타나지 않고 유사한 경향을 나타내었다. 전류밀도와 전이금속 칼코젠 화합물의 높이와의 관계는 하기의 관계식 1로 나타낼 수 있다.
<관계식 1>
JB = C H-0.5
(여기에서, JB 는 항복전류밀도, H는 전이금속 칼코젠 화합물의 두께, C는 상수임)
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 항복전류밀도와 비저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17을 참조하면, 전이금속 칼코젠 화합물로서 WTe2 나노 벨트에 대한 결과가 나타나 있다. 항복전류밀도와 비저항과의 관계는 하기의 관계식 2로 나타낼 수 있다.
<관계식 2>
JB = C ρ-m
(여기에서, JB 는 항복전류밀도, ρ는 비저항, C는 상수임)
상기 관계식 2에서 지수 "m"은 공기 노출의 경우는 0.93, 덮개층 장착의 경우는 0.61, 진공의 경우는 0.55로 나타난다. 상기 "m" 수치의 크기에 따라 공기 노출의 경우에는 덮개층 장착 또는 진공의 경우에 비하여 파괴가 빨리 발생됨을 알 수 있다. 또한, 덮개층 장착의 경우는 진공의 경우에 비하여 파괴가 빠르게 발생한다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법에 의하여 형성된 전이금속 칼코젠 화합물에 대한 인가 전력과 파괴 직전 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18을 참조하면, 전이금속 칼코젠 화합물로서 WTe2 나노 벨트에 대한 결과가 나타나 있다. 인가 전력(P)과 파괴 직전 온도(Tmax)의 관계는 하기의 관계식 3으로 나타낼 수 있다.
<관계식 3>
Tmax = T0 + P/gL
(여기에서, Tmax 는 파괴 직전 온도, P는 인가전력, g는 열전달계수, L은 나노 벨트의 길이임)
상기 관계식 3은 공기 노출, 덮개층 장착, 진공의 경우 모두에 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
Claims (9)
- 기판을 제공하는 단계;
상기 기판 상에 전이금속을 포함하는 전이금속층을 형성하는 단계;
상기 전이금속층 상에 공융금속합금용 금속층을 형성하는 단계;
설정 온도 범위 상태에서 상기 공융금속합금용 금속층에 기체 상태의 칼코젠을 제공하여 액체 방울 형태의 칼코젠 공융금속합금을 형성하는 단계; 및
상기 전이금속이 상기 액체 방울 형태의 칼코젠 공융금속합금 내로 확산하여 상기 액체 방울 형태의 칼코젠 공융금속합금에 포함된 상기 칼코젠과 상기 전이금속이 결합하여 전이금속 칼코젠 화합물을 형성하는 단계;
를 포함하는, 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 기판은 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiO2) 및 알루미늄 산화물(Al2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 전이금속은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 텔루륨(Te), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 레늄(Re), 코발트(Co), 니켈(Ni), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나 를 포함하는, 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 공융금속합금용 금속층은 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 칼코젠은 황(S), 셀레늄(Se), 및 텔루륨(Te) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 칼코젠 공융금속합금을 형성하는 단계 및 상기 전이금속 칼코젠 화합물을 형성하는 단계는 50 ℃ 내지 1200 ℃ 의 온도 범위에서 수행되는, 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 칼코젠 공융금속합금을 형성하는 단계 및 상기 전이금속 칼코젠 화합물을 형성하는 단계는 300 ℃ 내지 500 ℃ 의 온도 범위에서 수행되는, 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 전이금속 칼코젠 화합물은 일차원 구조를 가지는, 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 전이금속 칼코젠 화합물은 WTe2, MoTe2, 및 WxMo1 - xTe2 (여기에서, 0<x<1) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170151580A KR101993365B1 (ko) | 2017-11-14 | 2017-11-14 | 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170151580A KR101993365B1 (ko) | 2017-11-14 | 2017-11-14 | 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190054705A KR20190054705A (ko) | 2019-05-22 |
| KR101993365B1 true KR101993365B1 (ko) | 2019-06-26 |
| KR101993365B9 KR101993365B9 (ko) | 2023-12-08 |
Family
ID=66680731
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170151580A KR101993365B1 (ko) | 2017-11-14 | 2017-11-14 | 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101993365B1 (ko) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111451501B (zh) * | 2020-04-03 | 2021-12-21 | 季华实验室 | 一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法 |
| CN112289988B (zh) * | 2020-09-30 | 2022-05-06 | 合肥国轩高科动力能源有限公司 | 一种银掺杂的硅和二碲化钨复合负极材料及其制备方法、应用 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101464173B1 (ko) | 2013-07-23 | 2014-11-21 | 영남대학교 산학협력단 | 전이금속 칼코겐화합물 박막 형성 방법 |
| JP2017145184A (ja) | 2016-02-19 | 2017-08-24 | 国立大学法人東北大学 | 遷移金属ダイカルコゲナイドの合成方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101360997B1 (ko) * | 2012-03-12 | 2014-02-11 | 성균관대학교산학협력단 | 금속 칼코게나이드 박막의 제조 방법 |
| KR101500944B1 (ko) * | 2013-03-22 | 2015-03-10 | 경희대학교 산학협력단 | 칼코겐 화합물의 2차원 대면적 성장 방법, cmos형 구조체의 제조 방법, 칼코겐 화합물의 막, 칼코겐 화합물의 막을 포함하는 전자 소자 및 cmos형 구조체 |
| US10079144B2 (en) * | 2015-04-22 | 2018-09-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Composition for layered transition metal chalcogenide compound layer and method of forming layered transition metal chalcogenide compound layer |
| KR20160127885A (ko) | 2015-04-27 | 2016-11-07 | 전자부품연구원 | 층상 구조의 2차원 물질의 반응성 증가방법 및 이를 이용한 산화그래핀 제조방법 |
| KR101766545B1 (ko) * | 2015-12-18 | 2017-08-09 | 경희대학교 산학협력단 | 전이금속 칼코겐 화합물 및 그 제조방법 |
-
2017
- 2017-11-14 KR KR1020170151580A patent/KR101993365B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101464173B1 (ko) | 2013-07-23 | 2014-11-21 | 영남대학교 산학협력단 | 전이금속 칼코겐화합물 박막 형성 방법 |
| JP2017145184A (ja) | 2016-02-19 | 2017-08-24 | 国立大学法人東北大学 | 遷移金属ダイカルコゲナイドの合成方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Jong Hwa Lee, Synthesis of Single-Crystalline Tungsten Ditelluride (WTe2) Nanostructures Using Eutectic Metal Alloys, 울산과학기술대학교, 석사학위 논문 (2017.1)* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101993365B9 (ko) | 2023-12-08 |
| KR20190054705A (ko) | 2019-05-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ma et al. | Review of experimental approaches for improving zT of thermoelectric materials | |
| Fan et al. | Two-dimensional dendritic ZnO nanowires from oxidation of Zn microcrystals | |
| Fan et al. | Patterned growth of aligned ZnO nanowire arrays on sapphire and GaN layers | |
| Safdar et al. | Site-specific nucleation and controlled growth of a vertical tellurium nanowire array for high performance field emitters | |
| Singh et al. | Revisiting the structure zone model for sculptured silver thin films deposited at low substrate temperatures | |
| KR101047610B1 (ko) | 코어/쉘 구조를 갖는 열전 나노와이어의 제조방법 | |
| KR100974606B1 (ko) | 이원합금 단결정 나노구조체 및 그 제조방법 | |
| Mokari et al. | Synthesis of lead chalcogenide alloy and core–shell nanowires | |
| Longo et al. | Au-catalyzed self assembly of GeTe nanowires by MOCVD | |
| KR101993365B1 (ko) | 전이금속 칼코젠 화합물의 제조 방법 | |
| Ge et al. | Controllable CVD route to CoS and MnS single-crystal nanowires | |
| Zhang et al. | Bi doping modulating structure and phase-change properties of GeTe nanowires | |
| CN114232101A (zh) | 一种单层p型半导体相二硒化钒单晶及其盐辅助的生长方法以及其背栅场效应晶体管 | |
| Wu et al. | Morphology control of Si 2 Te 3 nanostructures synthesized by CVD | |
| JP2004359471A (ja) | Ｖ族遷移金属ダイカルコゲナイド結晶からなるナノファイバー又はナノチューブ並びにその製造方法 | |
| Zou et al. | Epitaxial growth of manganese silicide nanowires on Si (111)-7× 7 surfaces | |
| KR20200131391A (ko) | 전이금속-칼코젠 화합물 패턴 구조체, 그의 제조 방법, 및 그를 포함한 2차원 평면형 소자용 전극 | |
| Zhang et al. | Optimization of the thermopower of antimony telluride thin film by introducing tellurium nanoparticles | |
| JP6597333B2 (ja) | 層状カルコゲナイド膜の成長方法 | |
| KR102263567B1 (ko) | 도핑된 전이금속-칼코젠 화합물 구조체 및 그 제조 방법 | |
| Zhou et al. | Fabrication of large-scale ultra-fine Cd-doped ZnO nanowires | |
| US11227995B2 (en) | Si2Te3 resistive memory | |
| Park et al. | Synthesis of single-crystalline topological insulator Bi 2 Se 3 nanomaterials with various morphologies | |
| Pillai | Growth of single-crystalline highly pure long Ag2Te nanowires for thermoelectric applications and its structural analysis | |
| Wang et al. | Self-organization of various “phase-separated” nanostructures in a single chemical vapor deposition |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| G170 | Re-publication after modification of scope of protection [patent] |