저주파 파형으로 2차원 물질 특성 규명 성공

IBS 연구진, 전도성원자력현미경 활용해 이황화몰리브덴 물성 밝혀
국내 연구진이 미세 전류의 저주파 파형을 읽어 2차원 이황화몰리브덴이 반도체적 특성을 갖는 이유를 찾아냈다. 이에 따라 다양한 저차원 전자소재의 전자와 결함 관계를 이해하고, 그동안 원인이 밝혀지지 않은 재료의 특성을 이해하는데 도움이 될 전망이다.

IBS(원장 김두철)는 나노구조물리연구단 연구진이 전도성원자력현미경(Conductive Atomic Force Microscope)에 전류증폭기를 연결해 2차원 이황화몰리브덴(MoS2)의 원자결함과 관련한 전기적 특성을 규명했다고 21일 밝혔다.

'저주파(1Hz ~ 5kHz)'는 재료나 소자에 흐른 전류가 만들어 낸다. 이를 활용하면 재료를 파괴하지 않으면서 내부 결함을 찾는데 이용할 수 있다.  

연구진은 시료의 전도도를 측정하는 장비로 주로 활용되는 전도성원자력현미경을 활용했다. 이 현미경에 전류증폭기를 통해 전류의 저주파 파형을 확대해 미세전류까지 측정이 가능하도록 고안했다.

일반적으로 같은 시료에 가해진 동일한 크기의 전류라도 내부결함에 의해 결과값이 미세하게 달라진다. 전류가 흐를 때 원자결함 내에 전자 1~2개가 갇히거나, 기존에 갇혀있던 전자가 나와 수 피코암페어(pA, 1조분의 1A) 수준의 극미세 전류차를 발생시키기 때문이다. 저주파 파형을 해석하면 전자와 원자결함간의 관계를 분석할 수 있게 된다. 

이에 연구진은 2차원 이황화몰리브덴을 시료로 사용해 전자와 원자결함을 분석하고, 시료 내부의 황(S) 원자결함에 전자 1개가 들어가야 안정한 상태로 존재한다는 것을 밝혔다. 이에 따라 2차원 이황화몰리브덴이 n형 반도체성을 보이는 성향이 확인됐다.  

이영희 연구단장은 "이번 성과를 기반으로 나노미터 크기 영역에서 2차원 표면의 결함을 찾고자 한다"며 "새로운 노이즈 분광법 장치를 개발하는 후속연구를 진행하고 있다"이라고 말했다.

이번 연구는 지난 14일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.
2차원 이황화몰리브덴의 전자-결함 거동 분석 실험.<자료=IBS 제공>2차원 이황화몰리브덴의 전자-결함 거동 분석 실험.<자료=IBS 제공>
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