KR102678240B1 - 이차원 자성체 VSe2의 합성방법 - Google Patents
이차원 자성체 VSe2의 합성방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 이차원 자성체 VSe2의 합성방법은, 산소가 포함된 분위기에서 VCl3를 증발시키고 증발된 VCl3를 기체 상태에서 산화를 유도하여 V2O5를 기판 위에 증착시키는 1 단계와, 불활성 분위기에서 Se을 증발시키고 상기 기판 위에 성장된 V2O5를 셀레늄화시켜 VSe2를 성장시키는 2 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 의해 보다 안정적이고 효율적이며 재현 가능한 새로운 이차원 자성체 VSe2의 합성방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 의해 보다 안정적이고 효율적이며 재현 가능한 새로운 이차원 자성체 VSe2의 합성방법을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 원자층 두께의 이차원 자성체 VSe2(Vanadium Diselenide)의 새로운 합성방법에 관한 것이다.
최근 원자 한층의 두께에서도 자성을 가질 수 있다는 사실이 실험적으로 밝혀진 이후 나노 단위 자성 물질에 관하여 응집물리학 및 재료과학 분야에서 상당한 주목을 받아오고 있다.
반데르발스 힘(Van der Waals force)에 의해 결합된 원자층 두께의 이차원 자성체는 벌크자성체에서 보이지 않았던 흥미로운 자성 특성들이 보고되고 있어 기초연구로도 중요성을 갖고 있지만, 이차원 자성체가 지닌 독특하며 우수한 특성들을 기반으로 하여 소자 응용 측면서도 잠재력을 갖고 있다.
이차원 반데르발스 자성체는 우수한 특성들이 보고되어지지만 아직 이에 대한 연구는 초기단계에 머물러 있으며 대부분의 소재들은 낮은 퀴리온도를 가지고 있어 스핀트로닉스 어플리케이션으로서 한계점이 있다. 어플리케이션으로서 응용을 위해서는 상온에서 자성을 띄는 물질이 필요하며, 이러한 소재 후보군들은 VSe2, MnSe2, Fe3GaTe2, Fe5-XGeTe2, CrTe2 등이 알려져 있다.
VSe2의 경우, 그 합성방법으로 크게 3가지가 알려져 있다(도 1 참고). 첫째, 분자빔엑피텍시(Molecular Beam Epitaxy)의 경우 고진공 (10-9~10-10 Torr)분위기 아래 증기화된 바나듐과 셀레늄의 조성에 맞추어 기판에 증착시키는 방법이며, 둘째, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)의 경우 상압분위기에서 각각 고체파우더를 증기화시켜 기상에서 고상상태로 증착시키는 방법이 있으며, 세째, 화학적박리법(Chemical exfoliation)의 경우 VSe2 물질 내에 Na or Li 이온을 삽입시켜 층간을 탈리하는 방법으로 구성되어 있다.
종래 기술에서는 V2O5와 Se 소스를 동시에 증발시켜 기상상태에서 반응하여 1T 구조의 VSe2를 합성하는데, 이 방법은 아래의 문제점을 지니고 있다.
먼저, 불활성 분위기에서 화학기상증착 시 V2O5 파우더의 자발적인 환원으로 인하여 녹는점이 높은 VO2로 변하게 되는데 이때 합성을 위한 V2O5 증기압이 확보되어지지 않아 성장의 재현성에 어려움이 있으며, 다음으로, Se 파우더 증기가 V2O5 고체 파우더와의 반응으로 인해 셀레늄화가 일어나고, 이로 인해 타겟 기판 위 화학기상증착이 원활히 일어나지 않는 문제가 있다.
본 발명의 이차원 자성체 VSe2의 합성방법은, 산소가 포함된 분위기에서 VCl3를 증발시키고 증발된 VCl3를 기체 상태에서 산화를 유도하여 V2O5를 기판 위에 증착시키는 1 단계와, 불활성 분위기에서 Se을 증발시키고 상기 기판 위에 성장된 V2O5를 셀레늄화시켜 VSe2를 성장시키는 2 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 1 단계는, 아르곤과 산소가 섞인 분위기에서 이루어지며, 공정온도는 소스온도가 200~250℃, 기판온도가 500~600℃ 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상기 1 단계는, 소스온도가 공정온도 이하의 범위로 설정한 후 상기 공정온도까지 가열시간을 가지며, 공정온도가 안정화 되면 소스온도를 VCl3의 녹는점까지 승온하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 2 단계는, 수소 분위기에서 이루어지며, 공정온도는 소스온도가 300℃이고, 기판온도가 650℃인 것이 바람직하다.
또한, 상기 2 단계는, 반응 전 미리 소스온도를 공정온도로 승온하여 Se분위기를 만들며, V2O5는 기판온도가 공정온도에 도달하였을 때 셀레늄화되어 1T구조의 VSe2로 성장이 이루어지게 된다.
본 발명에 의해 보다 안정적이고 효율적이며 재현 가능한 새로운 이차원 자성체 VSe2의 합성방법을 제공할 수 있다.
도 1은 VSe2를 합성하는 종래 기술을 나타낸 것이다.
도 2는 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이차원 자성체 VSe2의 합성방법을 나타낸 것이다.
도 3은 1 단계에서 산소분압에 따른 V2O5의 성장 차이를 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 4는 합성된 V2O5와 셀레늄화된 VSe2의 변화를 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 5는 전기적 특성을 통한 V2O5와 VSe2의 차이를 나타낸 것이다.
도 6은 라만분광법을 통해 V2O5와 VSe2의 차이를 나타낸 것이다.
도 7은 성장된 VSe2의 자기장을 측정한 결과이다.
도 2는 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이차원 자성체 VSe2의 합성방법을 나타낸 것이다.
도 3은 1 단계에서 산소분압에 따른 V2O5의 성장 차이를 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 4는 합성된 V2O5와 셀레늄화된 VSe2의 변화를 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 5는 전기적 특성을 통한 V2O5와 VSe2의 차이를 나타낸 것이다.
도 6은 라만분광법을 통해 V2O5와 VSe2의 차이를 나타낸 것이다.
도 7은 성장된 VSe2의 자기장을 측정한 결과이다.
이하에서는, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에서는 이차원 자성체 VSe2의 새로운 합성방법을 제공한다.
종래 합성방법으로는 V2O5와 Se 소스를 동시에 증발시켜 기상상태에서 반응하여 1T구조의 VSe2를 합성하는데, 이 방법은 불활성 분위기에서 화학기상증착 시 V2O5 파우더의 자발적인 환원으로 인하여 녹는점이 높은 VO2로 변하게 되는데 이때 합성을 위한 V2O5증기압이 확보되어지지 않아 성장의 재현성에 어려움이 있으며, 또한 Se 파우더 증기가 V2O5 고체 파우더와의 반응으로 인해 셀레늄화가 일어나고, 이로 인해 타겟 기판 위 화학기상증착이 원활히 일어나지 않는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 새로운 합성방법은 아래 두 단계를 포함하여 이루어진다.
1 단계 : 기판 위 V2O5 결정을 성장하는 과정
2 단계 : 성장된 V2O5를 셀레늄화 시키는 과정
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이차원 자성체 VSe2의 합성방법을 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 1 단계(a)에서는 휘발성이 강한 VCl3를 산소가 포함된 분위기에서 증발시키고, 증발된 VCl3(g)를 기체 상태에서 산화를 유도하여 V2O5를 기판에 증착시키며, 2단계(b)에서는 불활성 분위기에서 Se을 증발시키고 기판 위에 성장된 V2O5를 셀레늄화시킴으로써 VSe2를 성장시킨다.
상기 두 단계로 이루어지는 본 발명의 합성방법의 일실시예로서 구체적인 공정 조건은 다음과 같다.
도 2의 (a)에서와 같이, 1 단계는 아르곤(Ar)과 산소(O2)가 섞인 분위기에서 이루어지며, 공정온도는 소스(히터1) 온도가 200~250℃, 기판(히터2) 온도가 500~600℃ 범위이다. 재현성 있는 V2O5 성장을 위하여 기판온도는 공정온도로 설정하고, 소스온도는 공정온도 이하의 범위로 설정한 후 안정한 온도구간을 가질 때까지 가열시간을 가진다. 온도가 안정화 되면 소스(히터 1) 온도를 VCl3의 녹는점까지 승온하며 이때 생성된 증기가 기판에 증착되어 성장이 이루어진다.
도 2의 (b)에서와 같이, 2 단계는 수소(H2) 분위기에서 이루어지며, 공정온도는 소스(히터1) 온도가 300℃이고, 성장된 V2O5 기판(히터2) 온도가 650℃이다. 성장된 V2O5가 수소 분위기에서 승온시에 발생하는 환원반응을 억제하기 위하여 반 응 전 미리 소스(히터1) 온도를 공정온도로 승온하여 Se분위기를 만들며 V2O5는 히터2 공정온도에 도달하였을 때 셀레늄화되어 1T구조의 VSe2로 성장이 이루어진다.
도 3은 1 단계에서 산소분압에 따른 V2O5의 성장 차이를 보여주는 광학현미경 사진이다. 도 3에서 보여주는 바와 같이, 기판 위에서 V2O5를 성장시키는 과정에서, 불활성 분위기(Ar 100 sccm)에서 성장시키는 경우 V2O5 합성이 랜덤하게 형성되는 것을 관찰하였고, 공정 중 산소의 분압을 늘려줌에 따라 수~수십nm 두께의 V2O5 단결정이 재현적으로 성장될 수 있음을 관찰하였다.
도 4는 합성된 V2O5와 셀레늄화된 VSe2의 변화를 보여주는 광학현미경 사진이다. 2 단계에서 기판 위 성장된 V2O5를 셀레늄화시킴으로써 1T구조의 VSe2의 합성을 유도하였다. 도 4에서는 반도체적인 특성을 띄는 V2O5가 금속성을 띄는 1T구조의 VSe2로 변환되면서 빛이 반사되는 것을 보여주고 있으며, 형상학적으로 변화된 것을 확인할 수 있다.
도 5는 전기적 특성을 통한 V2O5와 VSe2의 차이를 나타낸 것이며, 도 6은 라만분광법을 통해 V2O5와 VSe2의 차이를 나타낸 것이다. 도 5에서와 같이, 반도체특성에서 도체특성으로 바뀐 것을 통하여 V2O5에서 VSe2로 변환된 것을 알 수 있다. 도 6을 통하여, orthorhombic 구조의 V2O5와 이를 셀레늄화 하였을 때 hexagonal 구조의 VSe2가 성장되었음을 알 수 있다.
도 7은 성장된 VSe2의 자기장을 측정한 결과이다. 도 7에서와 같이, 300K에서 수직 수평 방향 모두에서 자성을 띄는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (5)
- 산소가 포함된 분위기에서 VCl3를 증발시키고 증발된 VCl3를 기체 상태에서 산화를 유도하여 V2O5를 기판 위에 증착시키는 1 단계와,
불활성 분위기에서 Se을 증발시키고 상기 기판 위에 성장된 V2O5를 셀레늄화시켜 VSe2를 성장시키는 2 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차원 자성체 VSe2의 합성방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 1 단계는,
아르곤과 산소가 섞인 분위기에서 이루어지며, 공정온도는 소스온도가 200~250℃, 기판온도가 500~600℃ 범위인 것을 특징으로 하는 이차원 자성체 VSe2의 합성방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 1 단계는,
소스온도는 공정온도 이하의 범위로 설정한 후 상기 공정온도까지 가열시간을 가지며, 공정온도가 안정화 되면 소스온도를 VCl3의 녹는점까지 승온하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차원 자성체 VSe2의 합성방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 2 단계는,
수소 분위기에서 이루어지며, 공정온도는 소스온도가 300℃이고, 기판온도가 650℃인 것을 특징으로 하는 이차원 자성체 VSe2의 합성방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 2 단계는,
반응 전 미리 소스온도를 공정온도로 승온하여 Se분위기를 만들며, V2O5는 기판온도가 공정온도에 도달하였을 때 셀레늄화되어 1T구조의 VSe2로 성장이 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차원 자성체 VSe2의 합성방법.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR102678240B1 true KR102678240B1 (ko) | 2024-06-26 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107557753A (zh) | 2017-07-12 | 2018-01-09 | 华东师范大学 | 一种室温磁性二维VSe2薄膜化学气相沉积生长方法 |
| CN113990737A (zh) | 2021-10-21 | 2022-01-28 | 湖南大学 | 一种超短沟道VSe2-WSe2二维材料及其制备和应用 |
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| CN107557753A (zh) | 2017-07-12 | 2018-01-09 | 华东师范大学 | 一种室温磁性二维VSe2薄膜化学气相沉积生长方法 |
| CN113990737A (zh) | 2021-10-21 | 2022-01-28 | 湖南大学 | 一种超短沟道VSe2-WSe2二维材料及其制备和应用 |
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