Investigation of synthesis and synthesis mechanism of 2D materials (MoS2, Bi2Te3) by chemical vapor deposition. Investigation of synthesis and synthesis mechanism of 2D materials (MoS2, Bi2Te3) by chemical vapor deposition.
연구배경
Molybdenum disulfide (MoS 2 )
그래핀과 구조적으로 매우 유사한 2차원 물질인 전이금속 칼코게나이드 중에서 가장 대표적인 물질은 MoS2라고 불리는 6족 전이금속 칼코게나이드이다. 벌크일 때와 단층일 때 밴드갭이 다르게 나타나는 것도 흥미로운 물리적 특성이다. 벌크 MoS2의 경우 약 1eV의 간접 밴드갭을 가지지만 단일 밴드갭을 갖는다. 이 층은 직접적인 밴드갭 구조를 가지고 있습니다. 이러한 흥미로운 특성으로 인해 빛을 강하게 흡수하고 방출하므로 빛을 사용하는 광 센서 및 광전자 장치에 쉽게 사용할 수 있는 소재입니다.
기상 화학 증착방법 (Chemical Vapor Deposition)
CVD의 정의
CVD의 장·단점
또한, 물질의 결정 구조와 화학적 형태도 다릅니다. 접촉 모드에 비해 시료 손상은 감소하지만 거리가 멀기 때문에 분해능이 접촉 모드보다 낮습니다. 본 연구에서 합성된 결정을 관찰하기 위해 광학현미경(OM: SAMWON Inc., KSM-BA3)을 사용하여 측정하였다.
측정을 통해 합성된 MoS2 결정의 표면은 매우 깨끗한 단층임을 확인하였다. 본 연구에서 합성된 Bi2Te3 결정은 광학현미경(OM: SAMWON Inc., KSM-BA3)을 이용하여 관찰하였다. 본 연구에서는 SiO2/Si 기판 위에 합성된 MoS2 결정의 결정성을 분석하기 위해 TEM 측정을 수행했습니다.
결정의 형성은 보다 유리한 합성 경로입니다. 합성된 Bi2Te3 결정의 조성을 확인하기 위해 그림 1을 참조한다. 본 연구에서는 SiO2/Si 기판 위에 합성된 Bi2Te3 결정의 표면정보와 두께를 확인하기 위해 SEM과 AFM 측정을 수행하였다.
깁스 프리 에너지 (Gibbs free energy)
측정 장비 (Characterizations principles)
- Raman spectroscopy
- Photoluminescence (PL)
- X-ray diffraction (XRD)
- Field emission electron microscopy (SEM)
- Atomic force microscopy (AFM)
- Transmission electron microscopy (TEM)
주사전자현미경은 전자총으로 가속된 전자빔을 시료 표면에 주사하여 생성된 2차 전자를 이용하여 시료의 3차원 표면 정보, 두께, 크기 등을 얻을 수 있습니다. 이렇게 높은 에너지를 가진 전자가 통과하려면 고진공 조건이 설정되어야 합니다. 또한, 실제 이미지를 보여주는 명시야 이미지는 전자가 시료를 통과하여 이동하기 때문에 시료 표면에 대한 정보를 포함하여 질량의 구조에 대한 정보를 제공합니다.
즉, 명시야 이미지의 대비는 샘플의 국부적인 두께와 전자 밀도에 의해 결정됩니다. 그러나 비정질 물질의 경우 전자가 산란되지 않기 때문에 암시야 이미징은 결정이 포함된 시료에만 사용할 수 있습니다.
MoS 2 synthesis experiment by CVD
분광학은 600 홈/mm 격자를 사용하여 수행되었으며 CCD 검출기를 사용했습니다. 또한, 표면 및 두께 정보를 얻기 위해 Scannig 전자현미경과 원자력현미경(NX10, Park system)을 사용하였다. 마지막으로 MoS2 결정의 정확한 결정성과 조성을 확인하기 위해 투과전자현미경을 사용했습니다.
FFT와 SAED 패턴을 통해 합성된 MoS2의 결정구조가 문헌과 동일한 육각형 결정구조와 면간거리를 갖고 있음을 확인하였다.
Qualitative analysis of MoS 2 (Raman, PL)
본 연구에서는 SiO2/Si 기판에 합성된 MoS2 결정의 최종 분석을 위해 마이크로-라만 스펙트럼 분석을 수행하였고, 합성된 결정의 밴드 구조를 확인하기 위해 광발광(PL)을 측정하였다.
Surface and thickness analysis of MoS 2 (SEM, AFM)
Quantitative analysis of MoS 2 (TEM)
이는 MoS2 합성 시스템의 세 가지 반응 모두 열역학적으로 MoS2 결정을 형성하는 경로를 제공할 수 있음을 나타냅니다. 마지막으로 반응 3에서 볼 수 있듯이, MoS2 결정을 형성하는 능력은 기판 위에 합성된 MoO2 결정의 황화물에 의해 확인되었다. MoS2 결정은 분자와 황 증기의 반응에 의해 형성될 수 있습니다.
본 연구에서는 SiO2/Si 기판 위에 합성된 Bi2Te3 결정의 결정성을 확인하고 정량적으로 분석하기 위해 TEM 및 EDS 측정을 수행하였다. 이를 통해 Bi2Te3 결정의 격자 구조를 명확하게 볼 수 있습니다.
Synthesis mechansim of MoS 2
또한, 이 두 물질 사이의 헤테로에피택셜 성장이 연구되었습니다. 이러한 결과를 통해 MoS2 위의 Bi2Te3 헤테로 에피텍셜 결정이 빛 에너지를 받으면 매우 흥미로운 광학 현상이 발생한다는 사실을 발견했다. 기존 문헌의 값과 비교했을 때, 상대적으로 넓은 면적에 합성된 Bi2Te3 결정을 이용하여 열전소자를 제작하여 광전류 매핑을 통해 우수한 열전 성능을 확인하였다.
우리는 반금속인 Bi2Te3의 이종 상피 성장에 대한 연구를 수행하여 Bi2Te3 결정이 단층 MoS2 결정 위에서만 수직으로 성장한다는 것을 확인했습니다. 또한, 헤테로에피택시 Bi2Te3 및 MoS2 결정의 PL 담금질 현상을 통해 서로 다른 두 개의 2차원 물질을 헤테로에피택시화하면 밴드 구조가 변화하고 새로운 물성이 나타나는 것을 확인하였다.
Electrical property (I-V test)
Thermoelectric property (Photocurrent mapping)
본 논문에서는 단층 MoS2를 얻기 위한 가장 유용한 방법인 CVD 합성을 통해 MoO3 분말과 황 분말을 이용하여 단층 MoS2 단결정을 합성하고 합성 메커니즘을 조사하였다. 실험에서는 MoO3 분말을 MoO2 상으로 환원시키기 위해 유황 분말을 우선적으로 사용하였다. 또한, MoO3가 황 증기로 환원되어 형성된 고체 MoO2상은 기판 위에 MoS2 결정이 합성되는 중간 단계로서 매우 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.
또한, 위상학적 절연체로 널리 사용되고 열전 특성이 우수한 Bi2Te3를 CVT 합성을 통해 합성하였다. 수십 나노미터의 Bi2Te3 결정이 이종일 때 MoS2의 라만 시프트 값은 변하지 않았으며, 이는 Bi2Te3 결정이 층간 결함 없이 단일층 MoS2 결정 위로 올라간 것을 나타냅니다.
