KR20240039774A - 이차원 반도체 양자점 어레이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 상에 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 형성하는 단계, 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층 상에 복수의 관통구를 구비하는 알루미나 박막을 전사하는 단계, 상기 알루미나 박막을 이용하여 금속 패턴을 형성하는 단계, 상기 금속 패턴을 마스크로 이용하여 평면 상에서 상기 금속 패턴과 비중첩하는 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 제거하는 단계 및 상기 금속 패턴을 제거하여 양자점 어레이를 형성하는 단계를 포함하는, 양자점 어레이의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 이차원 반도체 양자점 어레이의 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 대면적의 양자점 어레이의 구현이 가능한 이차원 반도체 양자점 어레이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 양자 통신 네트워크에서는 정보 전달의 매개체로 단광자와 얽힘 광원을 사용하고 있다. 양자 통신 네트워크의 정보 전달의 매개체로 이용 가능한 광원을 제조하기 위하여 재료 내부의 결함을 임의로 제어하거나, 이온 트랩 또는 양자점을 이용하는 방법이 연구되고 있다.
그러나 이러한 종래의 양자 통신 네트워크의 정보 전달의 매개체로 이용 가능한 광원의 제조 방법에는 광원의 위치 제어가 어려워 포토닉 소자로의 집적이 불가능하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 대면적의 양자점 어레이의 구현이 가능한 양자점 어레이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 기판 상에 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 형성하는 단계, 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층 상에 복수의 관통구를 구비하는 알루미나 박막을 전사하는 단계, 상기 알루미나 박막을 이용하여 금속 패턴을 형성하는 단계, 상기 금속 패턴을 마스크로 이용하여 평면 상에서 상기 금속 패턴과 비중첩하는 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 제거하는 단계 및 상기 금속 패턴을 제거하여 양자점 어레이를 형성하는 단계를 포함하는, 양자점 어레이의 제조방법이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층은 이황화몰리브덴(MoS2), 이황화텅스텐(WS2) 또는 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 패턴을 형성하는 단계는, 상기 알루미나 박막 상에 금속층을 전자빔 증착법으로 증착하는 단계를 포함하고, 상기 금속층의 두께는 상기 알루미나 박막의 두께보다 얇을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속층은 금(Au)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 패턴을 형성하는 단계는, 상기 금속층이 증착된 상기 알루미나 박막의 상면에 점착성을 갖는 필름을 부착하는 단계 및 상기 알루미나 박막이 부착된 상기 필름을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 제거하는 단계는, 반응성 가스 플라즈마를 이용해 상기 금속 패턴과 비중첩하는 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 식각하는 단계일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 제거하는 단계는, 산소 플라즈마를 이용해 상기 금속 패턴과 비중첩하는 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 산화하는 단계일 수있다.
일 실시예에서, 상기 금속 패턴을 제거하여 양자점 어레이를 형성하는 단계에서, 상기 금속 패턴과 산화된 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층은 동시에 제거될 수 있다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면 상술한 양자점 어레이의 제조방법들 중 어느 하나에 따라 제조된 양자점 어레이가 제공된다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 양자점의 크기 및 위치를 제어 가능한 대면적의 양자점 어레이의 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 어레이를 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 어레이의 제조방법을 도시하는 순서도이다.
도 3a 내지 도 3e 는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 어레이의 제조방법의 일부 단계를 순차적으로 도시하는 단면도들이다.
도 4 a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 어레이의 제조방법의 일부 단계를 순차적으로 도시하는 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 어레이의 투과전자현미경(transmission electron microscope))이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 어레이의 주사 탐침 현미경(atomic force microscope) 이미지이다.
도 7a 내지 도 7c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 어레이의 형광 안정성(PL stability), 핸버리 브라운-트위스 실험(Hanbury Brown-Twiss experiment)의 결과를 도시하는 그래프들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 어레이의 제조방법을 도시하는 순서도이다.
도 3a 내지 도 3e 는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 어레이의 제조방법의 일부 단계를 순차적으로 도시하는 단면도들이다.
도 4 a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 어레이의 제조방법의 일부 단계를 순차적으로 도시하는 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 어레이의 투과전자현미경(transmission electron microscope))이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 어레이의 주사 탐침 현미경(atomic force microscope) 이미지이다.
도 7a 내지 도 7c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 어레이의 형광 안정성(PL stability), 핸버리 브라운-트위스 실험(Hanbury Brown-Twiss experiment)의 결과를 도시하는 그래프들이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우, 또는/및 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우, 및/또는 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우를 나타낸다.
본 명세서에서 "A 및/또는 B"은 A이거나, B이거나, A와 B인 경우를 나타낸다. 그리고, "A 및 B 중 적어도 하나"는 A이거나, B이거나, A와 B인 경우를 나타낸다.
본 명세서에서 x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
본 명세서에서 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 어레이를 도시하는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 어레이(1)는 기판(10) 상에 이차원적으로 배열된 복수의 양자점(QD)를 포함할 수 있다.
기판(10)은 전이금속 디칼코젠 화합물을 성장시킬 수 있는 기판일 수 있다. 예컨대, 기판(10)은 사파이어 기판, 실리콘 기판 또는 나노결정질 그래핀(nanocrystalline graphene) 기판일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 기판(10)은 산화알루미늄, 산화마그네슘, 탄화규소, 질화규소, 유리, 석영, 그래파이트 및 고분자 유기필름으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
양자점(QD)들은 기판(10)의 상면에 상호 이격되어 이차원적으로 배열될 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 양자점(QD)들은 제1방향(x 방향) 및 제2방향(y 방향)으로 소정의 간격만큼 이격되어 반복적으로 배치될 수 있다.
각각의 양자점(QD)은 기판(10)의 상면에서 대략 수직한 방향(z 방향)에서 바라볼 때, 대략 육각형의 형상을 가질 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 각각의 양자점(QD)은 삼각형, 사각형과 같은 다각형 형상을 가질 수 있다. 또는 각각의 양자점(QD)은 원형, 타원형 형상을 가질 수도 있다. 또는 각각의 양자점(QD)은 경계가 매끈하지 않은 비정형의 형상을 가질 수도 있다.
양자점(QD)의 지름(d1)은 약 20 nm 내지 약 50 nm일 수 있다. 또는, 양자점(QD)의 지름(d1)은 약 20 nm 내지 약 30 nm일 수 있다. 양자점(QD)의 지름(d1)이 약 30 nm 이하일 때, 양자점 어레이(1)는 보다 향상된 양자 광원의 특성을 가질 수 있다.
양자점(QD)은 전이금속 디칼코젠 화합물(transition metal dichalcogenide)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 양자점(QD)는 전이금속 디칼코젠 화합물로 구비될 수 있다. 일 실시예에서, 양자점(QD)은 전이금속 디칼코젠 화합물 단일층으로 구비될 수 있다. 여기서, 전이금속 디칼코젠 화합물은 TiS2, ZrS2, HfS2, NbS2, WS2, WSe2, MoS2 및 이들의 조합 중 어느 하나일 수 있다.
전이금속 디칼코젠 화합물을 포함하는 양자점(QD)은 기하학적 구조의 영향으로 강한 엑시톤 결합 에너지를 가질 뿐 아니라, 흡수율이 높아 포토닉 소자에 적용하기 적합하다.
도 1에서는 양자점 어레이(1)가 전이금속 디칼코젠 화합물 박막의 성장을 위한 기판(10) 상에 위치하는 것을 도시하고 있으나, 양자점 어레이(1)는 기판(10)으로부터 분리되어 다양한 포토닉 소자 상으로 전사될 수 있다. 따라서, 종래 용액 기반의 콜로이달 양자점은 포토닉 소자에 적용할 때 양자점의 위치 및 간격을 제어하기 어려운 반면, 본 발명에 따라 제조된 양자점 어레이(1)는 양자점(QD)의 위치 및 간격을 용이하게 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 어레이의 제조방법을 도시하는 순서도이고, 도 3a 내지 도 3f 는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 어레이의 제조방법의 일부 단계를 순차적으로 도시하는 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 어레이의 제조방법은 기판 상에 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 형성하는 단계(S10), 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층 상에 알루미나 박막을 전사하는 단계(S20), 금속 패턴을 형성하는 단계(S30), 금속 패턴을 마스크로 이용하여 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 제거하는 단계(S40) 및 금속 패턴을 제거하여 양자점 어레이를 형성하는 단계(S50)을 포함할 수 있다. 이하, 도 3a 내지 도 3e를 참조하여, 각각의 단계를 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 3a를 참조하면, 먼저, 기판(10) 상에 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)을 형성할 수 있다(S10).
기판(10)은 전이금속 디칼코젠 화합물을 지지하기 위한 기판(10)일 수 있다. 예컨대, 기판(10)은 사파이어 기판, 실리콘 기판 또는 나노결정질 그래핀(nanocrystalline graphene) 기판일 수 있다.
이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)은 기판(10) 상에 유기금속화학증착법(metal organic chemical vapor deposition)을 이용하여 형성된 것일 수 있다. 예컨대, 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)은 유기금속화학증착 챔버 내에, 칼코겐-함유 전구체, 전이금속-함유 전구체 및 전구체 분해 촉진 촉매 등을 공급하여 형성된 것일 수 있다. 여기서, 칼코겐-함유 전구체는 S-함유 유기 화합물 또는 S-함유 무기화합물일 수 있다. 전이금속-함유 Ti, Zr, Hf, Nb, W, Mo 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이금속을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)은 전이금속 디칼코젠 화합물 벌크(bulk)로부터 박리되어 기판(10) 상에 전사될 수 있다. 다른 일 실시예에서, 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)은 기판(10) 상에 열화학증착법(thermal chemical vapor deposition)을 통하여 증착될 수 있다.
이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)은 TiS2, ZrS2, HfS2, NbS2, WS2, WSe2, MoS2 및 이들의 조합 중 어느 하나를 포함하는 원자층 박막으로 구비될 수 있다. 일 실시예에서, 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)은 단일층으로 구비될 수 있다. 다른 일 실시예에서, 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)은 10층 이하의 다중층으로 구비될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20) 상에 알루미나 박막(30)을 전사할 수 있다.
알루미나 박막(30)은 복수의 관통구(NP)를 구비할 수 있다. 관통구(NP)들은 알루미나 박막(30)에 소정의 간격으로 상호 이격되어 배치될 수 있다. 관통구(NP) 각각의 지름(d2)은 약 20 nm 내지 약 360 nm일 수 있다. 일 실시예에서, 관통구(NP) 각각의 지름(d2)은 약 20 nm 내지 약 50 nm일 수 있다.
알루미나 박막(30)을 준비하기 위하여, 제1알루미늄 박막을 아노다이징 하여 제1나노기공을 형성하고, 제1나노기공이 형성된 제1알루미늄 박막의 상면을 식각하여 균일한 요철을 갖는 제2알루미늄 박막을 형성할 수 있다. 제2알루미늄 박막을 다시 아노다이징하여 제2나노기공을 형성하고, 제2나노기공이 형성된 면과 마주하는 제2알루미늄 박막의 하면을 식각하여 복수의 관통구(NP)을 갖는 알루미나 박막(30)을 형성할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 공지된 다양한 방법에 의하여 복수의 관통구(NP)를 갖는 알루미나 박막(30)이 준비될 수 있다.
알루미나 박막(30)은 유기물 지지층에 부착된 상태로 준비되어, 유기물 지지층을 녹이기 위한 현상액(예컨대, 아세톤)에 담지될 수 있다. 알루미나 박막(30)에 부착된 유기물 지지층이 녹아, 알루미나 박막(30)이 현상액의 표면에 떠오르면 알루미나 박막(30)의 하부에 기판(10)을 배치할 수 있다. 이후 현상액을 제거하여 알루미나 박막(30)을 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20) 상에 전사할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 알루미나 박막(30)을 이용하여 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20) 상에 금속 패턴(40P)을 형성할 수 있다(S30).
먼저 알루미나 박막(30) 상에 전자빔 증착법(electron beam depositon)을 이용하여 금속층(40)을 형성할 수 있다. 금속층(40)은 습식 식각을 이용하여 전이금속 디칼코젠 화합물층을 손상시키지 않고 제거 가능한 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 금속층(40)은 금(Au)을 포함할 수 있다.
전자빔 증착법은 증착되는 금속 입자가 높은 직진성을 가지므로, 알루미나 박막(30)의 복수의 관통구(NP) 내에도 금속 패턴(40P)이 형성될 수 있다. 금속 패턴(40P)은 금속층(40)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 금속 패턴(40P)은 금속층(40)과 알루미나 박막(30)에 의하여 이격되어 분리될 수 있다. 예컨대, 알루미나 박막(30)의 두께(t1)는 금속 패턴(40P)의 두께(t2)보다 두꺼울 수 있다.
금속 패턴(40P)이 형성된 이후, 알루미나 박막(30) 및 알루미나 박막(30) 상에 위치하는 금속층(40)은 제거될 수 있다. 일 실시예에서, 알루미나 박막(30) 및 알루미나 박막(30) 상에 위치하는 금속층(40)은 테이프 메서드(tape method)를 이용하여 물리적으로 제거될 수 있다. 예컨대, 금속층(40)이 증착된 알루미나 박막(30)의 상면에 점착성을 갖는 필름을 부착하고, 부착된 필름을 제거하여 알루미나 박막(30) 및 알루미나 박막(30) 상에 위치하는 금속층(40)을 동시에 제거할 수 있다.
이 때, 알루미나 박막(30)에 의하여 금속층(40)과 이격되어 분리된 금속 패턴(40P)은 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20) 상에 남아있을 수 있다.
도 3d를 참조하면, 금속 패턴(40P)을 마스크로 이용하여 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)의 일부 영역을 제거할 수 있다(S40).
일 실시예에서, 금속 패턴(40P) 및 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)은 산소 가스 플라즈마에 노출될 수 있다. 이 때, 금속 패턴(40P)은 마스크로 기능하여, 금속 패턴(40P)과 중첩하는 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)의 일부 영역은 산화되지 않고 양자점(QD)을 형성하는 반면, 금속 패턴(40P)과 비중첩하는 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)의 일부 영역은 산화되어 산화물층(20')을 형성할 수 있다.
예컨대, 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)이 이황화몰리브덴(MoS2)를 포함하는 경우, 산소 가스 플라즈마에 노출되어 형성되는 산화물층(20')은 산화몰리브덴(MoOx)을 포함할 수 있다. 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)이 이황화텅스텐(WS2)을 포함하는 경우, 산소 가스 플라즈마에 노출되어 형성되는 산화물층(20')은 산화텅스텐(WO-x)을 포함할 수 있다.
도 3e를 참조하면, 금속 패턴(40P)을 제거하여 양자점 어레이(1)를 형성할 수 있다(S50).
금속 패턴(40P)은 식각용액에 의하여 습식 식각될 수 있다. 일 실시예에서, 금속 패턴(40P)의 식각용액에 의하여 산화물층(20')이 동시에 식각되어 제거될 수 있다. 산화물층(20')은 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층이 산화되어 형성된 것이므로, 산화물층(20')과 양자점(QD)의 계면은 화학적으로 안정할 수 있다. 따라서, 산화물층(20')이 제거되고 난 이후에도 양자점(QD)의 계면은 화학적으로 안정할 수 있다.
양자점(QD)의 지름(d1)은 약 20 nm 내지 약 50 nm일 수 있다. 또는, 양자점(QD)의 지름(d1)은 약 20 nm 내지 약 30 nm일 수 있다. 양자점(QD)의 지름(d1)이 약 30 nm 이하일 때, 양자점 어레이(1)는 보다 향상된 양자 광원의 특성을 가질 수 있다.
양자점(QD)의 지름(d1)은 도 3b에 도시된 바와 같이, 알루미나 박막(30)의 관통구(NP)의 지름(d2)와 실질적으로 동일하거나 그보다 작을 수 있다. 알루미나 박막(30)의 관통구(NP)의 지름(d2)은 다양하게 구비될 수 있으므로, 본 발명의 실시예에 따른 양자점 어레이(1)의 제조방법은 각 양자점(QD)의 지름(d1)을 제어할 수 있다.
도 4 a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 어레이의 제조방법의 일부 단계를 순차적으로 도시하는 단면도들이다. 도 4a 및 도 4b는 각각 금속 패턴을 마스크로 이용하여 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 제거하는 단계(S40, 도 2 참조) 및 금속 패턴을 제거하여 양자점 어레이를 형성하는 단계(S50, 도 2 참조)에 대응한다.
도 4a를 참조하면, 금속 패턴(40P)을 마스크로 이용하여 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)의 일부 영역을 제거할 수 있다(S40).
도 3c를 참조하여 설명한 알루미나 박막(30) 및 알루미나 박막(30) 상에 배치된 금속층(40)을 제거한 구조를 준비한다. 이를 반응성 가스 플라즈마에 노출하여 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20)의 일부 영역을 제거할 수 있다. 이 때, 금속 패턴(40P)은 마스크로 기능하여, 금속 패턴(40P)과 비중첩하는 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20, 도 3c 참조)의 일부 영역은 제거되고, 금속 패턴(40P)와 중첩하는 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층(20, 도 3c 참조)의 일부 영역은 그대로 남아 양자점(QD)들을 형성할 수 있다.
여기서 반응성 가스는 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물을 건식 식각(dry etching)할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 반응성 가스는 플루오린 가스일 수 있다. 반응성 가스는 사플루오린화탄소(CF4) 또는 플루오로폼(CHF3) 가스일 수 있다.
도 4b를 참조하면, 금속 패턴(40P)을 제거하여 양자점 어레이(1)를 형성할 수 있다(S50).
금속 패턴(40P)은 식각용액에 의하여 습식 식각될 수 있다. 양자점(QD)의 지름(d1)은 약 20 nm 내지 약 50 nm일 수 있다. 또는, 양자점(QD)의 지름(d1)은 약 20 nm 내지 약 30 nm일 수 있다. 양자점(QD)의 지름(d1)이 약 30 nm 이하일 때, 양자점 어레이(1)는 보다 향상된 양자 광원의 특성을 가질 수 있다.
양자점(QD)의 지름(d1)은 도 3b에 도시된 바와 같이, 알루미나 박막(30, 도 3b 참조)의 관통구(NP, 도 3b 참조)의 지름(d2, 도 3b 참조)와 실질적으로 동일하거나 그보다 작을 수 있다. 알루미나 박막(30, 도 3b 참조)의 관통구(NP, 도 3b 참조)의 지름(d2, 도 3b 참조)은 다양하게 구비될 수 있으므로, 본 발명의 실시예에 따른 양자점 어레이(1)의 제조방법은 각 양자점(QD)의 지름(d1)을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 양자점 어레이(1)의 제조 방법은 공정을 단순화할 뿐 아니라, 공정 중 양자점(QD) 표면의 손상을 최소화할 수 있다. 또한, 추가적인 전사 공정을 통하여 다양한 포토닉 소자에 적용하기 용이하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 어레이의 투과전자 현미경(transmission electron microscope) 이미지이다.
도 5를 참조하면, 기판 상에 수십 nm의 지름을 갖는 양자점들이 소정의 간격으로 이격되어 배치되어 양자점 어레이를 이루는 것을 확인할 수 있다. 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform)을 통하여, 우측 상단의 양자점의 회절 패턴(diffraction pattern)을 획득하였으며, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점이 우수한 결정성을 가지는 것을 확인하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 어레이의 주사 탐침 현미경(atomic force microscope) 이미지이다. 도 6의 좌측 이미지는 기판 상에 배치된 MoS2 양자점 어레이의 토폴로지(topology)를 나타내고, 도 6의 우측 이미지는 기판과 MoS2 양자점 어레이의 일함수(work function) 차이를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 기판 상에 수십 ㎛ 이상의 크기를 갖는 대면적의 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물 양자점 어레이 영역을 구현한 것을 확인할 수 있다. 양자점 어레이 영역을 확대할 경우, 좌측 상단의 이미지와 같이, 수십 nm의 지름을 갖는 양자점들이 소정의 간격으로 이격되어 배치된 것을 확인하였다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 MoS2 양자점은 순수한 MoS2 박막과 실질적으로 동일한 전기적 특성을 갖는 것을 확인하였다.
도 7a 내지 도 7c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점 어레이의 광특성 측정 결과를 도시하는 그래프들이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점의 형광 발광(PL emission)의 안정성(PL stability)을 확인하기 위하여, 일정한 시간 간격으로 양자점의 PL을 50회 측정하고, 그 결과를 이미지화한 것이다. 도 7a를 참조하면, 양자점의 광자 에너지(photon energy)에 따른 PL 세기(intensity)는 50회의 연속 측정에서 일정한 것을 확인할 수 있다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점에 532 nm 파장을 갖는 레이저를 이용하여 광자 에너지에 따른 PL 세기를 측정한 결과를 도시하는 그래프이고, 도 7c는 도 7b에 표시된 A 영역의 핸버리 브라운-트위스 실험(Hanbury Brown-Twiss experiment) 측정 결과를 도시하는 그래프이다. 도 7b 및 도 7c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 양자점은 고전적인 빛의 특성과는 달리, 양자 광원의 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
위와 같이, 양자점들의 크기 및 위치 제어를 통하여 기존에는 관측되지 않앗던 양자 준위가 관측되었으며, 해당 준위에서 양자 광원의 특성이 나타나는 것을 확인하였다.
지금까지는 양자점 어레이의 제조방법에 대해서만 주로 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 이러한 양자점 어레이의 제조방법을 이용하여 제조된 양자점 어레이 및 이를 포함하는 포토닉 소자 역시 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것 이다.
1: 양자점 어레이
10: 기판
20: 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층
30: 알루미나 박막
NP: 관통구
QD: 양자점
40: 금속층
40P: 금속 패턴
10: 기판
20: 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층
30: 알루미나 박막
NP: 관통구
QD: 양자점
40: 금속층
40P: 금속 패턴
Claims (9)
- 기판 상에 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 형성하는 단계;
상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층 상에 복수의 관통구를 구비하는 알루미나 박막을 전사하는 단계;
상기 알루미나 박막을 이용하여 금속 패턴을 형성하는 단계;
상기 금속 패턴을 마스크로 이용하여 평면 상에서 상기 금속 패턴과 비중첩하는 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 제거하는 단계; 및
상기 금속 패턴을 제거하여 양자점 어레이를 형성하는 단계;를 포함하는, 양자점 어레이의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층은 이황화몰리브덴(MoS2), 이황화텅스텐(WS2) 또는 이셀레늄화텅스텐(WSe2)을 포함하는, 양자점 어레이의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속 패턴을 형성하는 단계는,
상기 알루미나 박막 상에 금속층을 전자빔 증착법으로 증착하는 단계;를 포함하고,
상기 금속층의 두께는 상기 알루미나 박막의 두께보다 얇은, 양자점 어레이의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 금속층은 금(Au)을 포함하는, 양자점 어레이의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 금속 패턴을 형성하는 단계는,
상기 금속층이 증착된 상기 알루미나 박막의 상면에 점착성을 갖는 필름을 부착하는 단계; 및
상기 알루미나 박막이 부착된 상기 필름을 제거하는 단계;를 포함하는, 양자점 어레이의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 제거하는 단계는,
반응성 가스 플라즈마를 이용해 상기 금속 패턴과 비중첩하는 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 식각하는 단계인, 양자점 어레이의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 제거하는 단계는,
산소 가스 플라즈마를 이용해 상기 금속 패턴과 비중첩하는 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층을 산화하는 단계인, 양자점 어레이의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 금속 패턴을 제거하여 양자점 어레이를 형성하는 단계에서,
상기 금속 패턴과 산화된 상기 이차원 전이금속 디칼코젠 화합물층은 동시에 제거되는, 양자점 어레이의 제조방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 양자점 어레이의 제조방법에 따라 제조된 양자점 어레이.
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2023
- 2023-06-27 WO PCT/KR2023/008945 patent/WO2024063266A1/ko unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024063266A1 (ko) | 2024-03-28 |
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