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새로운 종류의 2D 반도체

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미래의 기기들에서 실리콘의 잠재적인 후보로서 여겨지도록 독특한 전기적 특성을 가지고 있는 그라핀, 질화붕소 및 이황화 몰리브덴과 같은 2차원 반도체의 증가에 하이브리드 유기-무기 페로브스카이트를 추가할 수 있게 되었다. 그러나 공유결합을 하는 다른 것들과는 다르게 이러한 2D 하이브리드 페로브스카이트는 이온화된 물질이다. 그래서 이것은 그들 자체적인 특별한 특징을 보유하고 있다. 

DOE(U.S. Department of Energy) 로렌스 버클리 국립연구소의 연구원들은 용액으로부터 2D로 된 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트 시트를 자동으로 성장시키는데 성공하였다. 초박막 시트는 고품질이며, 대규모의 면적인 사각형의 형태를 가지고 있다. 그것은 또한 광루미네선스, 색상 조화가능성 및 독특한 구조적 완화를 보이고 있다. 이것은 공유결합 반도체 시트에서는 발견되지 않는 특징들이다. 

“우리는 이것이 이온화된 물질로부터 만들어진 자동화된 2D 박막 나노구조의 첫 번째 사례라고 믿고 있다. 우리의 연구결과는 자동화된 박막 2D 하이브리드 페로브스카이트의 합성과 특징에 대한 기초연구의 기회를 제공해줄 것이며, FET(field effect transistors)와 광감지기와 같은 나노규모의 광전자 기기들을 위한 새로운 종류의 2D 솔루션처리 반도체를 만들게 될 것”이라고 Peidong Yang이 말했다. 그는 버클리 재료과학부 연구소의 화학자이며, 나노구조에 대한 세계적 전문가이다. 그는 20여 년 전에 이 연구에 대한 아이디어를 제일 먼저 제시하였다. 

또한 Yang은 UC 버클리에서 직책을 맡고 있으며, Kavli-ENSI(Kavli Energy NanoScience Institute)의 공동이사이다. 그는 사이언스 저널에 발표한 이 연구논문의 교신저자이다. 논문 제목은 “자동화된 박막 2차원 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트(Atomically thin two-dimensional organic-inorganic hybrid perovskites)”이다. 주저자는 Letian Dou, Andrew Wong 및 Yi Yuf이며, 이들은 모두 Yang 연구그룹의 멤버들이다. 다른 저자에는 Minliang Lai, Nikolay Kornienko, Samuel Eaton, Anthony Fu, Connor Bischak, Jie Ma, Tina Ding, Naomi Ginsberg, Lin-Wang Wang, Paul Alivisatos가 포함되어 있다. 

기존의 페로브스카이트는 일반적으로 산화금속으로서 광범위한 매력적인 전자기 특징을 보여주고 있으며, 강유전성과 압전성 및 거대한 자기저항성도 가지고 있다. 지난 수십 년 동안에 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트는 광전변화 기기들을 위한 박막 필름 또는 벌크 결정으로 처리되기 위한 방법이었다. 이것은 20%의 파워변환 효율에 이르는 것들이다. 스핀코팅, CVD(chemical vapor deposition) 및 기계적 박리법(mechanical exfoliation)과 같은 기술을 통해서 이러한 하이브리드 물질들을 개별적이며, 독립적인 2D 시트로 분리시키는 것은 제한된 성공을 이루고 있었다. 

1994년에 하버드대학교에서 박사과정을 밟고 있었던 Yang은 2D 하이브리드 페로브스카이트 나노구조를 제조하기 위한 방법을 제안하였다. 그리고 전자적인 특징을 조정하였지만 결코 동작하지 않았다. 그러나 사무실을 옮기면서 준비를 했던 기간 동안에 그는 제안서를 작성하여 공동저자인 박사 후 과정학생인 Dou에게 그것을 전달하였다. 그는 다른 주저자인 Wong, Yu와 함께 주로 연구하면서 Yang의 제안서에 있는 내용을 납, 브롬, 질소, 탄소 및 수소원자로 구성된 하이브리드 페로브스카이트인 CH3NH3PbI3의 독립된 2D 시트를 동기화하는데 사용하게 되었다. 

“일반적으로 두꺼운 페로브스카이트 판을 만드는 박리 및 CVD 방법과는 다르게, 우리는 균일한 사각형 모양의 2D 결정을 평편한 기판 위에 성장시킬 수 있었다. 이것은 높은 수율과 뛰어난 재현성을 가지고 있었다. 우리는 다양한 기술을 사용하여 개별적인 2D 결정의 구조와 구성을 특성화하게 되었으며, 구조적인 완화의 원인이 될 수 있는 약간 이동된 대역 가장자리 방사(band-edge emission)를 가진다는 것을 발견하게 되었다. 초기의 광루미네선스 연구는 453nm의 대역 가장자리 방사를 보여주고 있다. 이것은 벌크 결정과 비교하여 약간 적색 이동한 것이다. 이것은 색상 조정이 이러한 2D 하이브리드 페로브스카이트를 통해서 이루어질 수 있다는 것을 말해주는 것이다. 이것은 시트의 두께를 변화시키는 것뿐만 아니라 관련된 물질의 합성을 통해서 구성되는 것”이라고 Dou가 말했다. 

이와 같이 사각형 모양을 가진 2D 결정들의 잘 정의된 기하형태는 고품질의 결정도를 나타내는 것이며, 그것의 커다란 크기는 미래의 기기에 통합되는 것이 가능해야만 할 것이다.

“우리의 기술을 가지고, 수직 및 측면적인 헤테로구조 또한 성공할 수 있을 것이다. 이것은 특별하게 새로운 특징을 갖는 원자/분자 규모의 물질/기기 디자인을 위한 새로운 가능성을 열어줄 것”이라고 Yang이 말했다. 

출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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