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경희대학교(총장 한균태) 응용물리학과 최석호 교수 연구팀이 상하‧좌우 비대칭 물질을 일컫는 2차원 야누스(Janus) 물질 성장이 하나의 공간에서만 진행되는 ‘단일공정 성장법’을 세계 최초로 개발했다. 기존 연구에서는 전‧후 공정, 본 공정으로 여러 단계의 공정이 필요했지만, 단일공정 성장법은 비용과 시간을 줄일 수 있다. 최 교수 연구팀의 연구 성과가 화학적으로 막을 성장하는 ‘단일공정 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)’이 상업성이 높고 품질이 우수한 2차원 야누스 형태의 '단결정 박막'을 간단히 제작할 수 있다는 가능성을 보여줬다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 중견연구사업의 지원으로 수행됐다. 경희대 응용물리학과 최석호 교수(교신저자), 장찬욱 학술연구교수(공동 제1저자), 이원준 석사과정생(공동 제1저자), 김재국 석사과정생과 김성 교수 등이 참여한 연구는 ‘Growth of two-dimensional Janus MoSSe by in-situ single process without initial or follow-up treatments’라는 이름으로 네이처가 발행하는 국제 학술지인 <엔피지 아시아 머티리얼스(NPG Asia Materials)>(IF:10.481)에 2월 25일 게재됐다.
전 세계적으로 그래핀 대용 2차원 물질 반도체에 대한 관심이 높은 가운데 매우 독특한 양자현상을 가진 2차원 야누스 물질에 대한 연구가 매우 주목받고 있다. 하지만 2차원 야누스 물질의 기존 제작 방법이 까다로워 관련 연구실험이 활성화되지 못했다. 야누스 물질인 MoSSe를 제작하는 기존 방법에서도 고온 또는 플라즈마 공정 등의 전‧후 공정을 사용해야 했기 때문에 공정이 복잡하고 경제효과가 떨어지는 등의 단점이 있었다.
이를 보완하기 위해 최 교수 연구팀은 CVD 방법의 단일공정을 이용해 추가공정 없이 야누스 물질을 합성했다. 단순한 공정이 개발되면, 신속하고 신뢰성 높은 후속 연구의 기반이 될 수 있다. 또, 수많은 양자적 물성 규명과 소자 응용 등의 연구 활성화가 가능하며, 연구팀이 개발한 MoSSe 물질을 넘어 새로운 2차원 야누스 물질의 합성도 가능해진다.
대표적인 2차원 반도체 물질인 ‘전이금속 칼코게나이드(TMD, Transition Metal Dichalcogenide)’는 전이금속 원소(M) 한 개, 칼코겐 원소(X) 두 개 원소들로 구성된 MX2 구조다. 이와 달리 2차원 야누스 칼코게나이드 물질은 두 개의 서로 다른 칼코겐 원소가(X, Y) 전이금속을 중심으로 서로 반대편 층에 위치했다. 마치 두 개의 얼굴을 가진 고대 로마 신 야누스와 같은 형태(MXY)를 하고 있어 ‘2차원 야누스’라는 이름이 붙여졌다.
전이금속 Mo는 900도 이상의 온도에서 녹는 것으로 알려져 있다. 연구팀은 소금을 이용해 녹는점을 750도로 낮췄다. 칼코겐 원소 S와 Se는 각각 150도와 300도 이상의 녹는점을 갖는다. 연구팀은 CVD의 시간별 온도 조절을 통해 각 칼코게나이드 원소의 녹는점을 세심히 조절해 공정 과정을 세분화했다. 먼저 단결정 MoS₂를 S와 Mo를 녹여 활성화하고, 산화 실리콘 기판 위에 증착했다. 이후 Se를 활성화시켜 기증착된 MoS₂ 위층의 S를 Se와 치환해 단결정의 MoSSe를 최종 제작했다. 이 과정에서 열처리 효과로 MoS₂ 위층에서 S-Mo bond가 깨져 S-vacancy(빈자리 결함)들이 형성됨을 확인했고, 그 빈자리에 Se 원소가 채워져 Se-Mo bond가 형성되는 것을 규명해, MoSSe의 성장 메커니즘을 밝혀냈다.
최 교수는 “단일공정 기반의 2차원 야누스 물질 제작공정의 개발은 최근 그래핀 대용으로 활발히 연구되는 2차원 물질의 연구를 더욱 활성화할 기반을 마련한 것이다”라며 “특히 2차원 야누스 칼코게나이드 물질은 이론적으로 밝혀진 바대로, 매우 흥미로운 양자물성 및 새로운 소자 응용의 가능성에도 불구하고 재료 확보가 어려웠다. 이번 성과가 2차원 야누스 물질 및 소자 연구를 촉진하는데 기여할 것으로 기대된다”라며 연구의 의의를 설명했다. 이어 “상용화까지는 5~10년이 소요되지만, 다양한 2차원 야누스 물질을 쉽게 제작해 양자물성 연구와 이를 바탕으로 한 다양한 신소자에 응용할 수 있다”라며 “시간이 걸리더라도 근본을 추구하는 연구에 매진해, 야누스 물질의 실용적 소자를 개발하는 것이 최종 목표”라고 밝혔다.
