[신기술 소개] Single-layer MoS2 transistors

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 29, No. 3, 2011…339

신기술 소개

이차원 물질은 일차원 물질과 비교했을 때 복잡한 구조를 제조하기가 상대적으로 쉬워 차세대 나노전자 소자의 물질로 이용하기에 매력적이다. 다양한 물리 적인 특성과 높은 이동성(mobility)을 갖는 이차원 물 질인 graphene은 가장 많은 연구가 진행되고 있다.

그러나 순물질(pristine)의 graphene은 트랜지스터를 포함한 다양한 응용분야에서 필수적인 밴드갭(band gap)을 가지고 있지 않다. 이러한 graphene이 밴드갭 을 갖게 하기 위해서는 복잡한 제조과정이 필요하고 변형된 실리콘 박막의 이동성을 감소시키거나 고전압

을 필요로 한다. 디지털 논리장치인 CMOS 같은 소 자에서 실리콘을 대체하기 위해서는 on/off 전류비율 이 10⁴~10⁷, 밴드갭이 400 meV를 초과해야 바람직 하다. 전이금속 dichalcogenide 계열의 물질인 MoS2

결정은 수직적으로 쌓여있는 구조이고 단층(single layer)의 두께는 6.5 Å으로 van der Waals 상호작용 으로부터 층을 형성하고 있다[그림 1(A)]. 단층 MoS2는 1.8 eV의 고유 밴드갭을 가지고 있지만 mobility는 0.5~3 cm²V^-1s^-1로 매우 낮은 수준이다.

또한, graphene이나 박막 실리콘의 mobility 값과 비

Single-layer MoS

transistors

그림 1. (A) 단층 MoS2구조의 삼차원적 구조, (B) 단층 MoS2트랜지스터 제조의 삼차원적 모식도, (C) 단층 MoS2FET의 단 면 구조와 소자의 특성을 구현하기 위한 전기 접속의 개념도, (D) on/off 전류비율을 확인하기 위한 bias voltage에 따른 전류의 변화.

340…NICE, 제29권 제3호, 2011

신기술 소개

Electrochemical supercapacitor(EC)는 전달하는 electrical power가 크고 수명이 길다는 장점이 있지 만, 에너지 저장밀도가 너무 낮은 점이 문제로 지적되 고 있다. MnO2와 같은 pseudocapacitive 전이금속 산 화물은 비싸지 않고 환경에 유해하지 않으면서 커패 시턴스가 높기 때문에 EC 전극으로 많이 사용된다.

그러나 MnO2의 낮은 전도성이 충/방전 속도를 제한 하는 문제를 가지고 있는데, 최근 일본 Tohoku 대학 교의 Lang 등은 이러한 문제를 극복하고자 전도성이 개선된 nanoporous gold(NPG)와 nanocrystalline MnO2로 만들어진 복합구조 전극을 보고하였다. 이 구조에서 NPG는 MnO2를 통해서 전자가 전달되는 것을 가능하게 하며 MnO2와 전해질 사이의 빠른 확 산을 가능하게 한다. 이는 이론적인 값과 거의 유사한 MnO2의 커패시턴스를 가지는데 이와 같이 높은 커패 시턴스와 충/방전 속도를 가지는 구조는 높은 에너지

저장밀도와 높은 power가 결합된 EC 전극에 사용될 수 있는 매우 유망한 후보가 된다. 이 연구팀은 전도성 NPG를 제조하기 위하여 Ag/Au로 이루어진 합금을 HNO3에서 de-alloying하였고, 이렇게 제조된 NPG에 nancrystalline MnO2을 도금하여 100 nm 두께의 NPG/MnO₂복합박막을 제작하였다. Nanocrystalline MnO2의 도금시간을 조절함으로써 MnO2의 적재 질 량을 제어할 수 있는데, 도금 시간이 5분 일 때 MnO2

의 적재 질량은 매우 작았다. 도금 시간을 10분, 20분 으로 늘리면 MnO2의 적재 질량이 증가하고 단위 질 량당 전류밀도는 도금되지 않은 NPG로 만들어진 전 극 보 다 훨 씬 높 았 다 . 이 러 한 결 과 로 pseudocapacitance 물질을 3차원 nanoporous 구조에 넣음으로써 커패시턴스가 상당히 증가한다는 것을 보 였다. 결과적으로 단위 부피당 커패시턴스와 전류밀 도는 pseudocapacitive MnO2의 적재량에 영향을 많 교해보았을 때, 밴드갭이 증가하면 mobility가 감소하

는 경향이 있다. 이와 같이 mobility가 낮은 MoS₂의 단점을 개선하는 연구결과가 최근 보고되었다. 스위 스 EPFL(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)의 Radisavljevic 등은 상온에서 나노리본 graphene의 값과 비슷한 200 cm²V^-1s^-1의 mobility를 가지는 단층 MoS2를 보고하였다. 이 연구팀이 제작한 단층 MoS₂은 graphene 나노리본보다 큰 밴드갭을 가 지며 지금까지 제조된 가장 얇은 실리콘 막 보다 더 얇지만 mobility가 더 높았다. 이 연구팀은 단층 MoS2

나노시트를 이용하여 트랜지스터도 제조하였는데 상 부 gate는 유전상수가 25 정도로 높은 halfnium oxide를 사용하였고 하부 gate 아래에 mobility가 200

cm²V^-1s^-1 이상인 단층 MoS2를 booster로 이용하였 다[그림 1(B), (C)]. 그리하여 상온에서 500 mV의 bias voltage를 인가하였을 때 on/off 전류비율이 1×

10⁸ 정도인 결과를 얻었다[그림 1(D)]. 또한 단층 MoS2는 직접적인 밴드갭을 가지기 때문에 electron- hole 재결합 시 음파의 형성이 일어나지 않아 전형적 인 트랜지스터보다 더 낮은 전력소모를 선호하는 interband tunnel FET을 구성하는데 사용될 수 있음 도 보였다. 이 연구팀이 개발한 단층 MoS2 트랜지스 터는 일반적인 실리콘 기반 전자소자의 성능수치와 유기도체와 관련된 공정의 용이성이 함께 결합되어 전자소자 산업에 중요한 역할을 하리라고 기대한다 [Nature Nanotechnology, Vol. 6, p. 147(2011)].

Nanoporous metal/oxide hybrid electrodes for

electrochemical supercapacitor