이영희 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단장 팀은 차세대 신소재로 불리는 그래핀과 나란히 주목 받고 있는 이황화몰리브덴(MoS2)의 나노박막의 구조와 전기적 특성을 밝혀냈다. 차세대 반도체 개발에 큰 보탬이 될 기초연구 성과로 보인다. 이황화몰리브덴은 몰리브덴(Mo) 원자 1개에 황(S) 원자 2개가 결합한 물질로, 1나노미터(㎚·1㎚는 10억분의 1m) 미만 두께의 단일층 반도체를 만들 수 있어 극도로 얇은 차세대 반도체 회로 제작에 쓸 수 있다. 연구팀은 불활성 가스를 채운 상자 속에서 이황화몰디브덴 나노박막 소자를 제작했다. 이황화몰디브덴이 공기 중에 노출되면 산화반응으로 전기적 특성이 변질될 수 있기 때문이다. 이렇게 제작한 소자는 전기 저항이 최대 10배 이상 우수한 것으로 나타났다.

이황화몰리브덴과 그래핀은 나노박막 지름이 수 십 마이크로미터(㎛·1㎛는 100만분의 1m)에 불과한 미세한 입자들이 연결된 형태다. 각 원자의 결합구조 때문에 이웃한 두 결정입자의 각도가 서로 틀어지면서 특이한 경계면(결정립계면)이 생긴다. 결정립계면은 전기의 이동을 방해하기 때문에 반도체 회로 구성에 걸림돌이 돼 왔다. 그러나 이황화몰리브덴의 결정립계면의 형태에 따라 전기적 특성이 어떻게 변하는지 아직까지 알려진 것이 없었다.

연구팀은 고해상도투과전자현미경(HRTEM)을 활용해 각 결정립계면의 틀어진 각도와 원자결합구조 상태를 정밀하게 관측하고, 서로 다른 각도로 틀어진 여러 결정립계면의 전하 이동을 측정했다. 그 결과 이황화몰리브덴도 그래핀처럼 결정립계면에서 전기저항이 높아지고 이에 따라 전하이동도가 떨어지며, 틀어진 각도가 전하이동도에 영향을 준다는 사실이 처음으로 밝혀졌다. 계면의 각도가 8도 정도일 때 전하이동이 가장 낮았고, 8~20도 범위에서는 각도가 커질수록 전하이동도 증가했다. 최종적으로 약 20도 이상에서는 가장 높은 값을 유지했다.

이번 연구 결과에 쓰인 분석 방법은 층상구조를 띤 다른 반도체 물질에도 적용할 수 있을 것이고 이를 토대로 고성능 신소재 반도체를 구현하는 시기를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다.

이 성과는 ‘네이처’ 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 에 실렸다.