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결함이 없는 분자 두께의 박막

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미국 연구진은 단일층 박막 속의 결함을 고칠 수 있는 간단한 방법을 발견했다. 

단일층 반도체로 만들어진 원자적으로 매우 얇은 재료들은 재료 과학 분야에서 새로운 혁신을 불러오고 있다. 단일층은 투명한 LED 디스플레이, 초고효율 태양전지, 광 검출기, 나노크기 트랜지스터의 개발에 유망하다. 그러나 이런 박막들은 많은 결함을 가지고 있기 때문에 그들의 성능에 해로운 영향을 끼칠 수 있다. 

캘리포니아 대학의 버클리 캠퍼스(UC Berkeley)와 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 연구진은 유기 초산(organic superacid)을 사용함으로써 이런 결함을 해결할 수 있는 간단한 방법을 발견했다. 이번 연구진은 화학적 처리로 재료의 광발광 양자 수율을 100배까지 증가시켰다. 광 방출이 더 많아질수록, 양자 수율은 더 높아지고 재료 품질은 더 향상된다. 

이번 연구진은 재료를 TFSI(bistriflimide)라고 불리는 초산(超酸)에 재료를 침지시킴으로써 1% 이하에서 100%까지 이황화몰리브덴(MoS2)의 양자 수율을 향상시켰다. 

이 연구결과는 저널 Science에 11월 27일자로 게재되었고, 광전자장치와 고성능 트랜지스터와 같은 분야에 단일층 재료를 실제로 적용할 수 있는 새로운 길을 열어줄 것이다. MoS2는 단지 0.7나노미터의 두께를 가지고 있다. 인간 DNA 사슬이 2.5나노미터의 지름을 가진 것에 비해서 매우 작다. 

“전통적으로, 재료가 얇아질수록, 이것이 결함을 가질 확률은 높아진다”고 이 연구를 이끌었던 Ali Javey가 말했다. “이 연구는 광전자적으로 완벽한 단일층을 최초로 증명했다. 이것은 매우 얇은 재료에서 전례가 없는 결과”라고 Javey가 말했다.

이번 연구진은 다른 물질에 수소 원자의 형태로 양성자를 제공하는 용액이 필요했기 때문에 초산을 사용했다. 프로톤화(protonation)라고 불리는 화학 반응은 결함 부위에 원자를 채우는 효과와 표면에 부착된 원치 않는 오염물질을 제거하는 효과를 가진다. 

이번 연구진은 낮은 광 흡수와 기계적 변형을 견딜 수 있는 능력 때문에 단일층 반도체를 사용했다. 이것은 투명하거나 유연한 장치에 그들을 사용할 수 있게 한다. 특히, MoS2는 반데르발스 힘으로 서로 결합된 단일층을 가진다. 매우 얇은 재료를 사용했을 때의 또 다른 장점은 전기적으로 높은 조율성을 가진다는 것이다. LED 디스플레이와 같은 분야에 적용할 때, 이런 특성은 단일 픽셀이 인가된 전압의 양에 따라서 다양한 색상을 방출할 수 있기 때문에 매우 중요하다. 

LED의 효율은 광발광 양자 수율과 직접적으로 관련된다. 이 연구에서 제조된 광전자적으로 완벽한 단일층을 사용함으로써 투명하고 유연한 고성능 LED 디스플레이를 개발할 수 있을 것이라고 이번 연구진은 기대하고 있다. 

이런 화학적 처리는 트랜지스터에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 컴퓨터 장치가 점점 더 작아지고 얇아지기 때문에, 결함은 그들의 성능을 제한하는데 더 큰 역할을 한다. “결함이 없는 단일층은 새로운 유형의 저에너지 스위치를 가능하게 함으로써 이런 문제점을 해결할 수 있을 것”이라고 Javey가 말했다. 이 연구결과는 저널 Science에 “Near-unity photoluminescence quantum yield in MoS2” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/science.aad2114). 

그림 1. 이황화몰리브덴으로 만들어진 단일층 반도체에 레이저 빔을 조사하는 이미지. 적색으로 발광하는 양자점은 레이저로 여기된 입자들이다. 
그림 2. Cal 로고의 모양을 가진 MoS2 단일층 반도체. 왼쪽 이미지는 초산으로 처리되기 전의 물질이다. 오른쪽 이미지는 초산으로 처리된 후의 이미지이다. 이번 연구진은 초산 처리로 광 방출을 매우 증가시킬 수 있었다. 

출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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