그림 3.1.6 CVD를 통해 성장 된 MoS2의 (a) Optical 및 (b) SEM 이미지
그림 3.1.6은 성장 된 MoS2 박막의 광학 현미경 이미지 및 SEM 이미지이다.
Molybdenum을 패터닝 하여 성장시킨 MoS2는 패터닝 한 위치에 필름 형태로 성장 한 것을 확인할 수 있다. 이는 배열구조로 TFT에 적용하기 위해 원하는 모양과 크 기를 제어해 성장시킬 수 있는 가능성을 보여주었다.
서 볼 수 있듯이 수열 합성 방법으로 성장시킨 MoS2와 CVD 방법으로 성장시킨 MoS2의 라만 분석 결과 수열 합성으로 성장시킨 MoS2는 약 382.1 cm-1의 E12g 모 드와 408.3 cm-1의 A1g 모드로 두 피크 차이가 약 26 cm-1 을 보였고 이는 MoS2
가 3층 이상의 두께로 성장이 이루어진 것으로 확인된다. 반면에 CVD 방법으로 성장시킨 MoS2의 라만 분석 결과 약 384 cm-1의 E12g 모드와 405 cm-1 의 A1g 모 드로 두 피크 차이가 21 cm-1 을 보였고 이는 MoS2 가 단층에서 이중층 사이의 두께로 성장이 이루어진 것으로 확인된다. 이 결과는 기존에 수열 합성 방법과 CVD 방법에 의해 성장 된 MoS2의 라만 분석 결과와 경향성이 일치한다. [33]
그림 3.1.7 (a) 수열 합성 방법
(b) CVD 방법으로 성장 된 MoS2 Raman 스펙트럼
이때, 수열 합성 방법으로 성장 된 MoS2의 라만 스펙트럼과 CVD 방법으로 성 장 된 MoS2의 라만 스펙트럼을 비교해 보았을 때 그림 3.1.7 (a)에서 보듯이 약 200 cm-1 영역에서 수열 합성 방법으로 성장 된 MoS2의 라만 스펙트럼에서 약 한 봉우리 피크가 관찰된다. 이러한 Raman peak의 변화는 기본적으로 물질 자 체의 구조 변화에 기인하며, 1T 상 이황화 몰리브덴과 일치하는 모양이다. 이는 수열 합성 시 2차 용매열 반응 동안 온도와 용매의 변화로 인해 2H 상 구조가 불안정해지고 더 나은 안정성을 위해 어느 정도 1T 상으로 변형됨을 나타낸다.
따라서 2H와 1T 상이 공존하는 최적의 구조가 최종적으로 형성된 것이다. 실제
로 수열 합성으로 합성된 MoS2의 1T@2H-MoS2 구조와 CVD로 합성된 MoS2의 2H-MoS2 구조를 원소 구성 및 물질 내 원자의 화학적 조성비를 분석할 수 있는 X-선 광전자 분광 법 (X-ray photoelectron Spectroscopy; XPS)을 이용하여 비 교해 보았을 때 수열 합성 방법으로 성장 된 MoS2는 Mo와 S 비가 1:1.89로 보 고되었다. [34] 따라서 CVD 방법으로 성장 된 MoS2의 Mo와 S 비가 1:1.98인 것 에 비하면 Sulfur vacancy가 높은 것을 확인할 수 있고 이는 CVD로 합성된 MoS2에 비해 구조적 결함이 있음을 시사한다. 그림 3.1.8은 MoS2의 1T@2H-MoS2 구조와 2H-MoS2 구조를 나타내었다.
그림 3.1.8 MoS2의 결정구조 (a) 1T@2H-MoS2 구조 (b) 2H-MoS2 구조
CVD 방법으로 성장 된 MoS2 품질이 수열 합성 방법으로 성장 된 MoS2보다 우수하며 2H-MoS2 구조로 성장하였는지 확인하기 위해 추가적인 분석을 수행하 였다. 먼저 MoS2의 정확한 두께를 측정할 수 있는 AFM (Atomic Force Microscope) 장치를 이용하였다. 그림 3.1.9는 MoS2의 AFM 측정 결과 이미지이 다. MoS2 필름의 단차를 측정한 결과 0.8nm로 측정되었고 이는 기존에 보고된 바와 같이 단일 층으로 성장 된 MoS2 두께를 나타낸다. 이 결과는 Raman 측정 과 잘 일치하는 결과이다.
그림 3.1.9 성장 된 MoS2 AFM 이미지
그림 3.1.10은 원소 구성 및 물질 내 원자의 화학적 조성비를 분석할 수 있는 X-선 광전자 분광 법 (X-ray photoelectron Spectroscopy; XPS)을 이용하여 성장 된 MoS2를 분석하였다. XPS 분석 결과, Molybdenum의 Mo 3d 궤도, Sulfur의 S 2s와 S 2p 궤도를 각각 확인할 수 있다. Mo 3d 궤도에서 Mo 3d5/2와 Mo 3d3/2는 각각 231.12 eV, 234.9 eV를 나타내고 (그림 3.1.10 (a)), S 2p 궤도에서는 2p3/2와 2p1/2가 각각 162.4 eV, 164.42 eV를 나타내었다. (그림 3.1.10 (b)) 이 결 과는 Mo와 S 조성비가 1:1.97로 나타난다. 이는 2H 구조의 MoS2가 성장하였음 을 보여준다. 다만 Mo:S의 비가 1:2가 아닌 이유는 MoS2의 S가 XPS 성분분석 을 하는 과정에서 공기 중에 노출되어 MoSx (이때, x<2)로 변해 값의 차이가 생 긴 것으로 판단된다. 따라서 XPS 결과는 MoS2가 고품질의 2H-MoS2 구조로 성 장하였음을 추측할 수 있다.
그림 3.1.10 MoS2의 XPS 스펙트럼 (a) Mo 3d 궤도, (b) S 2p 궤도
MoS2 박막의 결정성을 확인하기 위해 투과 전자 현미경 (Transmittance Electron Microscope ; TEM) 장비를 이용하여 분석하였다. TEM은 특정 시료에 전자빔을 조사하여 시료를 투과한 전자빔을 렌즈에 의해 확대하여 상을 얻는 현 미경을 말한다. 분자 배열의 구조를 이미지로 나타낼 수 있으므로 시료의 구조나 형태를 관찰할 수 있다. 그림 3.1.11은 CVD로 성장 된 MoS2의 FE-TEM 이미지 이며 Inset의 이미지는 FFT 패턴 이미지이다. 결정구조가 육각형의 구조인 것을 보아 결함이 적은 단결정의 MoS2가 성장하였음을 알 수 있다.
그림 3.1.11 MoS2의 FE-TEM 이미지 및 회절 패턴
제2절 MoS2 기반 호흡 센서 제작