2차원 전이금속 디칼코겐화합물(2D TMD)의 물성 변이
2019-11-14
org.kosen.entty.User@16aeb0cb
김아름(akkim)
1. 서론
그래핀의 발견과 함께, 다양한 2차원 소재들의 특이성을 규명하는 것은 큰 연구 가치를 지니고 있다. 그 중에서도 2차원 전이금속 디칼코겐화합물(2D transition metal dichalcoginide, 2D TMD)은 다양한 결정 구조를 가지고 있으며 상에 따라서 물리, 화학, 광학적으로 상이한 특성을 띤다. TMD는 기본적으로MX2의 화학식을 가지고 있으며 M은 전이금속 원소, X는 칼코겐 원소이다. M은 4~10족에 위치한 원소들로 대표적으로는 Mo, W, V, Nb, Ta, Ti 등이 있으며X는 16족의 S, Se, Te가 있다. 전이금속 원소의 종류에 따라 채워지는 d 오비탈의 개수가 달라지면서 2D TMD의 종류에 따른 전기적 특성도 각각 달라진다. 이에 따라 2D TMD는 절연체(insulating), 반도체(semiconducting), 금속(metallic), 초전도체(superconducting) 등 다양한 물성을 가진다. 가장 많은 연구가 이루어진 MoS2의 경우, 결정 구조에 따라 육방 구조(hexagonal)를 가지는 2H 상(반도체), 삼방 구조(trigonal)를 가지는 1T 상(금속), 단사정계 구조(monoclinic)를 가지는 1T’ 상 (반금속, semimetallic)으로 분류할 수 있다.
층 내 M과 X간에는 공유결합을 가지고 있지만, 층과 층 간에는 약한 반데르발스 인력으로 쌓여있기 때문에 이러한 이방성을 활용하여 2D TMD를 효과적으로 변이시킬 수 있다. 최근 들어, 온도 변화에 따른 자극 뿐만 아니라 물리적, 화학적, 전기적, 광학적 자극에 의해서도 상변이가 일어난다는 것이 실험적으로 증명되고 있다. 2D TMD의 상변이에 따라 기존에 가지던 띠구조(electronic band structure), 광학적 특성, 촉매 활성도(catalytic activity), 열전도성, 초전도성, 캐리어 밀도 및 이동도 (carrier density and mobility) 등을 변화시킬 수 있다. (그림 1) 다양한 2D TMD 물질이 다양한 물성을 가지고 있기 때문에 많은 연구자들이 끊임없는 연구를 통해 이론적, 실험적 발견을 하고 있다. 이 리포트를 통해, 다양한 자극에 따른 2D TMD의 물성 변이에 대한 최신 연구 동향에 대해 소개하고, 이러한 물성의 변화가 어떠한 분야에 적용될 수 있는 지 알아보고자 한다.
그림 1. 외부 자극에 의한 2D TMD의 물성 변화
2. 본론
2.1. 물리적 자극에 의한 변이
TMD의 층 수를 달리하는 것만으로도 다른 밴드 구조를 가지게 할 수 있다. 2차원 2D TMD를 만들기 위해선 벌크 TMD에서 테이프를 붙였다 떼는 방식으로 몇 층만 박리시키는 방법, 2D TMD 층 사이에 다른 화학 물질을 삽입시켜 박리시키는 방법, 음파처리를 통해 박리시키는 방법 등이 있다. 또는 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD)이나 물리적 기상 증착(physical vapordeposition, PVD)을 통해 합성 과정에서 조건을 달리하여 층 수를 조절할 수도 있다. 벌크 TMD는 간접 밴드갭(indirect bandgap)을 가지는 반면, 한 층의 TMD는 직접 밴드갭(direct bandgap)의 특성을 띤다. 밴드 구조의 변화에 따라 광학 특성도 상이하게 나타난다. 한 층의 MoS2가 두 층의 MoS2에 비해 발광 특성이 현저하게 증가하는 것이 실험적으로도 증명되었다.
2D TMD의 가장자리 노출 정도를 달리하여 전기적, 촉매적 특성을 효과적으로 변형시킬 수 있다. 가장자리는 원자 구조가 가운데 부분처럼 완벽하지 않기 때문에 불포화 결합(dangling bond)을 가지는 부분이 많다. 이런 불포화 결합을 가지는 부분은 촉매 활성도가 좋기 때문에, 인위적으로 2D TMD의 크기를 줄여 가장자리 노출 부분을 증가시킴으로써 촉매 활성도를 높일 수 있다. MoS2, MoSe2, WS2, WSe2등 다양한 2D TMD의 가장자리 부분을 증가시킴으로써 수소 생산 반응도를 높인 연구 결과가 있다.
2D TMD에 인장 변형(tensile strain) 또는 압축 변형(compressed strain)을 주어 상변이를 일으키는 방법이 있다. 2D반도체 TMD에 쌍축 인장 변형, 또는 압력을 가함에 따라 밴드갭(bandgap) 에너지가 감소하는 것이 실험적으로 증명된 바 있다. 이는 반데르발스 간격이 줄어듦에 따라 강한 S와 S간의 상호작용에 의한 것으로 설명된다. 변형을 주는 방향에 따라서도 상변이가 다르게 일어날 수 있다. MoS2와 WS2의 경우 등방성 변형을 주었을 때는 금속상을 띠며, 일방성 변형을 주었을 때는 반도체 성질을 띤다.
최근에, 2D TMD 헤테로 구조에서 한 층을 살짝 비틀어서 각도를 달리하였을 때, 층간 원자의 인력/반발력 뿐만 아니라 띠 구조도 달라진다는 것이 밝혀지고 있다. 흥미로운 현상들이 많이 일어나 ‘magic angle’이라고도 불리면서 최근에 많은 연구가 이루어지고 있다.
2.2. 화학적 자극에 의한 변이
2D TMD의 층 사이에 다른 원자나 분자를 삽입시키는 인터칼레이션(intercalation)을 통해 변이시키는 방법이 있다. 주로 삽입되는 물질은, 전하가 2D TMD 층 사이로 잘 전달되는 알칼리 금속(리튬, 나트륨, 칼륨 등)이나 전이금속(바나듐, 크로뮴, 철 등) 이다. 원자 삽입에 의한 전하 이동은 전자 도핑 효과를일으키며 2D TMD의 페르미 에너지와 페르미 준위의 상태 밀도(density of states)를 증가시킨다. 뿐만 아니라 삽입에 의하여 층 간 거리가 멀어지면서 결합 에너지와 음속이 느려지며, 약해진 결합력은 다층이지만 단층의 특성을 띠도록 한다.
광학적 특성이 달라질 수 있다. BiSe2에 구리 원자를 삽입한 경우에, 투과도가 상승한 것을 보여준 연구가 있다. 구리 원자의 삽입에 의해 자유 전자 밀도가 높아지면서, 결과적으로 밴드갭 에너지가 증가함에 따라 투과도가 증가한 것을 설명할 수 있다. 열에너지와 전기에너지의 상호 변환 효과인 열전변환(thermoelectricity) 특성도 달라질 수 있다. 열전도를 감소시키면 열전변환 효율을 증가시킬 수 있다. 인터칼레이션에 의해 반데르발스 갭 사이에 다른 원자나 분자가 삽입되면서 포논의 전파를 방해하여 결과적으로 열전도가 감소한다. 2D TMD의 초전도성을 변화시킬 수도 있다. Bi2Se3나 TiS2에 구리 원자를 인터칼레이션 시켰을 때, 초전도성을 띠지 않다가 초전도성을 띠는 물질로 상전이가 일어나기도 한다. 2D TMD의 초전도성 전이 온도가 증가하는 효과도 있다. FeSe에 칼륨과 리튬 아마이드/암모니아 분자를 삽입시켰을 때, 초전도성 전이 온도가 8K에서 30-40K까지 증가하는 것을 보여주는 연구 결과가 있다. 원자 삽입에 의해 기존 결정 구조가 변형 되면서 초전도성을 바꿀 것으로 예상하지만 이러한 현상이 일어나는 정확한 원인을 규명하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다. 2D TMD의 촉매 활성도를 증가시키기 위해 인터칼레이션을 하는 연구도 많이 이루어지고 있다. 전자 구조와 촉매 특성은 긴밀하게 연결되어 있기 때문에 인터칼레이션을 통해 2D TMD의 전자 구조를 바꾸어 촉매 활성도를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, MoS2에 삽입된 리튬 원자는 초과된 전하를 MoS2로 전달하면서 Mo의 산화수를 감소시킴으로써 2H 상(반도체)에서 1T 상(금속)으로 상전이가 일어난다. 결과적으로 촉매 활성도가 현저히 증가하여, 수소 생산 반응성을 매우 높일 수 있다.
2.3. 전기적 자극에 의한 변이
2D TMD에 전기장을 걸어 전하 캐리어 밀도를 바꾸어 변이시키는 연구도 활발히 이루어지고 있다. 전압을 걸어 줌으로서 원하는 대로 2D TMD의 상변이를 조절할 수 있으며 가역성을 가지고 있다는 점에서 큰 장점을 가진다. 캐리어 양자 제한 효과(carrier quantum confinement effect)로 인하여 2D TMD는 이상적인 전하 이동 채널을 형성하여 고성능 트랜지스터로 쓰일 수 있다. 2D TMD 기반의 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor) 구조에 전압을 가함에 따라 2D TMD에 전하 캐리어가 축적(accumulation)되거나 감소(depletion)되는데 이 때 전류 점멸비(current on/off ratio)가 상온에서 >108으로 매우 크다. 최근에는 캐리어 밀도를 높이기 위하여 게이트 물질로 절연체를 쓰는 대신 이온성 액체를 써서 좀 더 효과적인 소자를 만들기 위한 연구도 이루어졌다.
한편, 2D TMD에 수직 방향으로 전기장을 걸으면 반전 대칭(inversion symmetry)이 깨진다. MoS2 트랜지스터에 수직 방향의 전기장을 걸었을 때, 내재한 대칭이 깨지면서 원편광 광발광(circularly polarized photoluminescence) 정도가 달라지는 것이 실험적으로 증명되었다.
2.4. 광학적 자극에 의한 변이
전자빔이나 레이저빔, 빛 등의 조사를 통해서도 2D TMD의 1T와 2H 상을 효과적으로 변이시킬 수 있다. in situ 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM)을 통해 MoS2에 전자빔을 조사하였을 때 2H 상에서 a 중간상을 거쳐 1T 상으로 변이가 일어나는 것을 보인 연구가 있다. 이와 비슷하게 MoTe2에 레이저빔을 조사하였을 때에도 상변이가 일어나는 것을 보였다. 레이저빔을 조사하면 Te의 빈격자점(vacancy)이 많아지면서 더이상 안정된 2H 결정구조를 갖지 못하게 되면 1T’으로의 상전이가 일어나는 것으로 상변이를 설명할 수 있다. MoS2와 금 나노 입자에 빛을 조사하면, 금 나노 입자로 인해 아주 높은 에너지를 갖는 전자인 열전자(hot electron)가 생성되면서MoS2의 2H에서 1T 로의 상변이가 일어나는 것을 보인 연구도 있다. 2D TMD에 원편광 빛을 조사하여 띠 구조의 밸리 편광을 일으킬 수도 있다.
2.5. 2D TMD의 응용 분야
2D TMD는 일렉트로닉스, 포토닉스, 센서, 에너지 소자 등 다양한 분야에 걸쳐 응용될 수 있다. 2D TMD 트랜지스터 개발을 통해 기존 실리콘 기반 반도체 소자의 한계를 극복할 수 있는 가능성이 있다. 앞서 2.3에서 설명했듯이 2D TMD는 얇고 투명하여 유연성 소자로 만들 수 있으며, 높은 전류 점멸비를 가질 뿐만 아니라 높은 전자이동도를 가지고 있어 고성능 트랜지스터로 개발이 가능하다.
층 구조, 넓은 표면적을 활용하여 슈퍼커패시터나 배터리, 에너지 저장 소자로서도 쓰일 수 있다. 촉매 효율이 좋은 수소 생산 소자로도 쓰일 수 있다.
고민감성, 고선택성, 저전력을 위한 센서 소자 물질로도 쓰일 수 있다. NO2와 같은 가스센서 뿐만 아니라, 기존의 반도체 금속 산화물 기반의 화학 센서를 대체하기 위한 연구도 많이 이루어지고 있다. DNA, 도파민 등의 바이오분자를 효과적으로 검출하기 위한 바이오 센서 물질로도 쓰일 수 있다.
3. 결론
2D TMD는 2차원이기 때문에 가질 수 있는 장점과 TMD만이 가지는 특이성을 모두 활용할 수 있다는 점에서 많은 연구자들의 관심을 끌고 있다. 앞서 보았듯이 2D TMD는 물리적, 화학적, 전기적, 광학적 자극에 의해 띠구조(electronic band structure), 광학적 특성, 촉매 활성도(catalytic activity), 열전도성, 초전도성, 캐리어 밀도 및 이동도 (carrier density and mobility) 등 다양한 물성을 가질 수 있다. 이에 따라 일렉트로닉스, 포토닉스, 센서, 에너지 분야에 많은 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다. 그러기 위해서는 2D TMD의 안전성, 대면적화, 자극에 따른 물성의 조절성에 대한 추가적인 연구가 요구된다.
References
1. Zhang X, Lai Z, Ma Q, Zhang H, Novel structured transition metal dichalcogenide nanosheets. Chem Soc Rev 47, 3301–3338, 2018.
2. Mak KF, Shan J, Photonics and optoelectronics of 2D semiconductor transition metal dichalcogenides. Nature Photon 10, 216–226, 2016.
3. Manzeli S, Ovchinnikov D, Pasquier D, et al. 2D transition metal dichalcogenides. Nat Rev Mater 2, 17033, 2017.
4. Zhang H, Cheng H-M, Ye P, 2D nanomaterials: beyond graphene and transition metal dichalcogenides. Chem Soc Rev 47, 6009–6012, 2018.
5. Zhang H, Chhowalla M, Liu Z, 2D nanomaterials: graphene and transition metal dichalcogenides. Chem Soc Rev 47, 3015–3017, 2018.
6. Chhowalla M, Liu Z, Zhang H, Two-dimensional transition metal dichalcogenide (TMD) nanosheets. Chem Soc Rev 44, 2584–2586, 2015.
7. Wang H, Yuan H, Sae Hong S, et al. Physical and chemical tuning of two-dimensional transition metal dichalcogenides. Chem Soc Rev 44, 2664–2680, 2015.
8. Choi W, Choudhary N, Han GH, et al. Recent development of two-dimensional transition metal dichalcogenides and their applications. Materials Today 20, 116–130, 2017.
그래핀의 발견과 함께, 다양한 2차원 소재들의 특이성을 규명하는 것은 큰 연구 가치를 지니고 있다. 그 중에서도 2차원 전이금속 디칼코겐화합물(2D transition metal dichalcoginide, 2D TMD)은 다양한 결정 구조를 가지고 있으며 상에 따라서 물리, 화학, 광학적으로 상이한 특성을 띤다. TMD는 기본적으로MX2의 화학식을 가지고 있으며 M은 전이금속 원소, X는 칼코겐 원소이다. M은 4~10족에 위치한 원소들로 대표적으로는 Mo, W, V, Nb, Ta, Ti 등이 있으며X는 16족의 S, Se, Te가 있다. 전이금속 원소의 종류에 따라 채워지는 d 오비탈의 개수가 달라지면서 2D TMD의 종류에 따른 전기적 특성도 각각 달라진다. 이에 따라 2D TMD는 절연체(insulating), 반도체(semiconducting), 금속(metallic), 초전도체(superconducting) 등 다양한 물성을 가진다. 가장 많은 연구가 이루어진 MoS2의 경우, 결정 구조에 따라 육방 구조(hexagonal)를 가지는 2H 상(반도체), 삼방 구조(trigonal)를 가지는 1T 상(금속), 단사정계 구조(monoclinic)를 가지는 1T’ 상 (반금속, semimetallic)으로 분류할 수 있다.
층 내 M과 X간에는 공유결합을 가지고 있지만, 층과 층 간에는 약한 반데르발스 인력으로 쌓여있기 때문에 이러한 이방성을 활용하여 2D TMD를 효과적으로 변이시킬 수 있다. 최근 들어, 온도 변화에 따른 자극 뿐만 아니라 물리적, 화학적, 전기적, 광학적 자극에 의해서도 상변이가 일어난다는 것이 실험적으로 증명되고 있다. 2D TMD의 상변이에 따라 기존에 가지던 띠구조(electronic band structure), 광학적 특성, 촉매 활성도(catalytic activity), 열전도성, 초전도성, 캐리어 밀도 및 이동도 (carrier density and mobility) 등을 변화시킬 수 있다. (그림 1) 다양한 2D TMD 물질이 다양한 물성을 가지고 있기 때문에 많은 연구자들이 끊임없는 연구를 통해 이론적, 실험적 발견을 하고 있다. 이 리포트를 통해, 다양한 자극에 따른 2D TMD의 물성 변이에 대한 최신 연구 동향에 대해 소개하고, 이러한 물성의 변화가 어떠한 분야에 적용될 수 있는 지 알아보고자 한다.
그림 1. 외부 자극에 의한 2D TMD의 물성 변화
2. 본론
2.1. 물리적 자극에 의한 변이
TMD의 층 수를 달리하는 것만으로도 다른 밴드 구조를 가지게 할 수 있다. 2차원 2D TMD를 만들기 위해선 벌크 TMD에서 테이프를 붙였다 떼는 방식으로 몇 층만 박리시키는 방법, 2D TMD 층 사이에 다른 화학 물질을 삽입시켜 박리시키는 방법, 음파처리를 통해 박리시키는 방법 등이 있다. 또는 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD)이나 물리적 기상 증착(physical vapordeposition, PVD)을 통해 합성 과정에서 조건을 달리하여 층 수를 조절할 수도 있다. 벌크 TMD는 간접 밴드갭(indirect bandgap)을 가지는 반면, 한 층의 TMD는 직접 밴드갭(direct bandgap)의 특성을 띤다. 밴드 구조의 변화에 따라 광학 특성도 상이하게 나타난다. 한 층의 MoS2가 두 층의 MoS2에 비해 발광 특성이 현저하게 증가하는 것이 실험적으로도 증명되었다.
2D TMD의 가장자리 노출 정도를 달리하여 전기적, 촉매적 특성을 효과적으로 변형시킬 수 있다. 가장자리는 원자 구조가 가운데 부분처럼 완벽하지 않기 때문에 불포화 결합(dangling bond)을 가지는 부분이 많다. 이런 불포화 결합을 가지는 부분은 촉매 활성도가 좋기 때문에, 인위적으로 2D TMD의 크기를 줄여 가장자리 노출 부분을 증가시킴으로써 촉매 활성도를 높일 수 있다. MoS2, MoSe2, WS2, WSe2등 다양한 2D TMD의 가장자리 부분을 증가시킴으로써 수소 생산 반응도를 높인 연구 결과가 있다.
2D TMD에 인장 변형(tensile strain) 또는 압축 변형(compressed strain)을 주어 상변이를 일으키는 방법이 있다. 2D반도체 TMD에 쌍축 인장 변형, 또는 압력을 가함에 따라 밴드갭(bandgap) 에너지가 감소하는 것이 실험적으로 증명된 바 있다. 이는 반데르발스 간격이 줄어듦에 따라 강한 S와 S간의 상호작용에 의한 것으로 설명된다. 변형을 주는 방향에 따라서도 상변이가 다르게 일어날 수 있다. MoS2와 WS2의 경우 등방성 변형을 주었을 때는 금속상을 띠며, 일방성 변형을 주었을 때는 반도체 성질을 띤다.
최근에, 2D TMD 헤테로 구조에서 한 층을 살짝 비틀어서 각도를 달리하였을 때, 층간 원자의 인력/반발력 뿐만 아니라 띠 구조도 달라진다는 것이 밝혀지고 있다. 흥미로운 현상들이 많이 일어나 ‘magic angle’이라고도 불리면서 최근에 많은 연구가 이루어지고 있다.
2.2. 화학적 자극에 의한 변이
2D TMD의 층 사이에 다른 원자나 분자를 삽입시키는 인터칼레이션(intercalation)을 통해 변이시키는 방법이 있다. 주로 삽입되는 물질은, 전하가 2D TMD 층 사이로 잘 전달되는 알칼리 금속(리튬, 나트륨, 칼륨 등)이나 전이금속(바나듐, 크로뮴, 철 등) 이다. 원자 삽입에 의한 전하 이동은 전자 도핑 효과를일으키며 2D TMD의 페르미 에너지와 페르미 준위의 상태 밀도(density of states)를 증가시킨다. 뿐만 아니라 삽입에 의하여 층 간 거리가 멀어지면서 결합 에너지와 음속이 느려지며, 약해진 결합력은 다층이지만 단층의 특성을 띠도록 한다.
광학적 특성이 달라질 수 있다. BiSe2에 구리 원자를 삽입한 경우에, 투과도가 상승한 것을 보여준 연구가 있다. 구리 원자의 삽입에 의해 자유 전자 밀도가 높아지면서, 결과적으로 밴드갭 에너지가 증가함에 따라 투과도가 증가한 것을 설명할 수 있다. 열에너지와 전기에너지의 상호 변환 효과인 열전변환(thermoelectricity) 특성도 달라질 수 있다. 열전도를 감소시키면 열전변환 효율을 증가시킬 수 있다. 인터칼레이션에 의해 반데르발스 갭 사이에 다른 원자나 분자가 삽입되면서 포논의 전파를 방해하여 결과적으로 열전도가 감소한다. 2D TMD의 초전도성을 변화시킬 수도 있다. Bi2Se3나 TiS2에 구리 원자를 인터칼레이션 시켰을 때, 초전도성을 띠지 않다가 초전도성을 띠는 물질로 상전이가 일어나기도 한다. 2D TMD의 초전도성 전이 온도가 증가하는 효과도 있다. FeSe에 칼륨과 리튬 아마이드/암모니아 분자를 삽입시켰을 때, 초전도성 전이 온도가 8K에서 30-40K까지 증가하는 것을 보여주는 연구 결과가 있다. 원자 삽입에 의해 기존 결정 구조가 변형 되면서 초전도성을 바꿀 것으로 예상하지만 이러한 현상이 일어나는 정확한 원인을 규명하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다. 2D TMD의 촉매 활성도를 증가시키기 위해 인터칼레이션을 하는 연구도 많이 이루어지고 있다. 전자 구조와 촉매 특성은 긴밀하게 연결되어 있기 때문에 인터칼레이션을 통해 2D TMD의 전자 구조를 바꾸어 촉매 활성도를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, MoS2에 삽입된 리튬 원자는 초과된 전하를 MoS2로 전달하면서 Mo의 산화수를 감소시킴으로써 2H 상(반도체)에서 1T 상(금속)으로 상전이가 일어난다. 결과적으로 촉매 활성도가 현저히 증가하여, 수소 생산 반응성을 매우 높일 수 있다.
2.3. 전기적 자극에 의한 변이
2D TMD에 전기장을 걸어 전하 캐리어 밀도를 바꾸어 변이시키는 연구도 활발히 이루어지고 있다. 전압을 걸어 줌으로서 원하는 대로 2D TMD의 상변이를 조절할 수 있으며 가역성을 가지고 있다는 점에서 큰 장점을 가진다. 캐리어 양자 제한 효과(carrier quantum confinement effect)로 인하여 2D TMD는 이상적인 전하 이동 채널을 형성하여 고성능 트랜지스터로 쓰일 수 있다. 2D TMD 기반의 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor) 구조에 전압을 가함에 따라 2D TMD에 전하 캐리어가 축적(accumulation)되거나 감소(depletion)되는데 이 때 전류 점멸비(current on/off ratio)가 상온에서 >108으로 매우 크다. 최근에는 캐리어 밀도를 높이기 위하여 게이트 물질로 절연체를 쓰는 대신 이온성 액체를 써서 좀 더 효과적인 소자를 만들기 위한 연구도 이루어졌다.
한편, 2D TMD에 수직 방향으로 전기장을 걸으면 반전 대칭(inversion symmetry)이 깨진다. MoS2 트랜지스터에 수직 방향의 전기장을 걸었을 때, 내재한 대칭이 깨지면서 원편광 광발광(circularly polarized photoluminescence) 정도가 달라지는 것이 실험적으로 증명되었다.
2.4. 광학적 자극에 의한 변이
전자빔이나 레이저빔, 빛 등의 조사를 통해서도 2D TMD의 1T와 2H 상을 효과적으로 변이시킬 수 있다. in situ 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM)을 통해 MoS2에 전자빔을 조사하였을 때 2H 상에서 a 중간상을 거쳐 1T 상으로 변이가 일어나는 것을 보인 연구가 있다. 이와 비슷하게 MoTe2에 레이저빔을 조사하였을 때에도 상변이가 일어나는 것을 보였다. 레이저빔을 조사하면 Te의 빈격자점(vacancy)이 많아지면서 더이상 안정된 2H 결정구조를 갖지 못하게 되면 1T’으로의 상전이가 일어나는 것으로 상변이를 설명할 수 있다. MoS2와 금 나노 입자에 빛을 조사하면, 금 나노 입자로 인해 아주 높은 에너지를 갖는 전자인 열전자(hot electron)가 생성되면서MoS2의 2H에서 1T 로의 상변이가 일어나는 것을 보인 연구도 있다. 2D TMD에 원편광 빛을 조사하여 띠 구조의 밸리 편광을 일으킬 수도 있다.
2.5. 2D TMD의 응용 분야
2D TMD는 일렉트로닉스, 포토닉스, 센서, 에너지 소자 등 다양한 분야에 걸쳐 응용될 수 있다. 2D TMD 트랜지스터 개발을 통해 기존 실리콘 기반 반도체 소자의 한계를 극복할 수 있는 가능성이 있다. 앞서 2.3에서 설명했듯이 2D TMD는 얇고 투명하여 유연성 소자로 만들 수 있으며, 높은 전류 점멸비를 가질 뿐만 아니라 높은 전자이동도를 가지고 있어 고성능 트랜지스터로 개발이 가능하다.
층 구조, 넓은 표면적을 활용하여 슈퍼커패시터나 배터리, 에너지 저장 소자로서도 쓰일 수 있다. 촉매 효율이 좋은 수소 생산 소자로도 쓰일 수 있다.
고민감성, 고선택성, 저전력을 위한 센서 소자 물질로도 쓰일 수 있다. NO2와 같은 가스센서 뿐만 아니라, 기존의 반도체 금속 산화물 기반의 화학 센서를 대체하기 위한 연구도 많이 이루어지고 있다. DNA, 도파민 등의 바이오분자를 효과적으로 검출하기 위한 바이오 센서 물질로도 쓰일 수 있다.
3. 결론
2D TMD는 2차원이기 때문에 가질 수 있는 장점과 TMD만이 가지는 특이성을 모두 활용할 수 있다는 점에서 많은 연구자들의 관심을 끌고 있다. 앞서 보았듯이 2D TMD는 물리적, 화학적, 전기적, 광학적 자극에 의해 띠구조(electronic band structure), 광학적 특성, 촉매 활성도(catalytic activity), 열전도성, 초전도성, 캐리어 밀도 및 이동도 (carrier density and mobility) 등 다양한 물성을 가질 수 있다. 이에 따라 일렉트로닉스, 포토닉스, 센서, 에너지 분야에 많은 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다. 그러기 위해서는 2D TMD의 안전성, 대면적화, 자극에 따른 물성의 조절성에 대한 추가적인 연구가 요구된다.
References
1. Zhang X, Lai Z, Ma Q, Zhang H, Novel structured transition metal dichalcogenide nanosheets. Chem Soc Rev 47, 3301–3338, 2018.
2. Mak KF, Shan J, Photonics and optoelectronics of 2D semiconductor transition metal dichalcogenides. Nature Photon 10, 216–226, 2016.
3. Manzeli S, Ovchinnikov D, Pasquier D, et al. 2D transition metal dichalcogenides. Nat Rev Mater 2, 17033, 2017.
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