기계공학부/성균나노과학기술원(SAINT) 김태성 교수 연구팀은 저온플라즈마를 기반으로 한 플라즈마 화학기상증착법 (PECVD)를 이용하여 기존 산화물(SiOx), 질화물(SiNx) 박막이 아닌 이차원 전이금속 칼코겐화합물 (TMDs) 합성에  세계 최초로 성공을 하였습니다. (2015년)

기존 이차원 전이금속 칼코겐화합물을 높은 열에너지를 이용하는 열-화학기상증착법을 벗어나, 플라즈마를 활용하여 저온(<150도)에서도 합성할 수 있다는 점에 큰 의미가 있으며 수 cm의 작은 사이즈를 4인치(10 cm)의 대면적으로 확장했다는데 주목할 만 합니다. 또한 ICP타입의 샤워헤드유형의 챔버는 대면적임에도 높은 균일도를 가지게 함과 동시에 고밀도 플라즈마에 의해 나노-결정크기를 갖는 특징을 가지고 있어서, 물리적 전사법이나 화학기상증착법으로 합성한 그 것과는 다른 점을 가지고 특정 분야에 더 뛰어난 성능을 가지고 있습니다.

현재까지 플라즈마 화학기상증착법 (PECVD)을 이용하여 다양한 이차원 전이금속 칼코겐화합물 (TMDs) 합성에 성공하여 다수의 논문(※참조) 및 특허를 보유 중이며, 이번에는 이차원 물질 간의 이종구조를 제작에 성공하였습니다. 김태성 교수팀(석현호, Chaitanya Kanade 박사과정)과 한국기계연구원 김형우 박사는 이전 경험을 바탕으로 ‘4인치 웨이퍼 스케일의 이황화몰리브데넘-이황화텅스텐 (MoS2-WS2) 박막형 이종구조’ 원천기술 개발에 성공하였고 석지원 교수팀(Yonas T. Megra 박사과정)과 이종구조 간 물리적 특성(계면 접착 특성)을 파괴역학 실험을 통해 분석하였습니다. 기존 이종구조 제작 방식의 한계와 작은 크기를 극복함으로써 앞으로 더 많은 물리현상을 밝힐 수 있을 것으로 예상됩니다.

김태성 교수는 이번 연구성과에 대해 “전이금속 칼코겐 화합물 간의 이종구조를 균일하고 재현성높으며 대면적으로 제작하는 것이 중요한데, 저희 연구팀은 플라즈마 공정을 통한 기존 연구의 한계점을 극복하며 자세한 합성 메커니즘에 대한 규명에 성공했습니다. 이번 연구를 통해 이차원 소재 이종접합의 연구에 새로운 기술을 제시하며, 대면적 대량생산을 통한 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대됩니다.”라고 말했다.

본 연구는 한국연구재단에서 지원하는 중견연구(NRF-2017R1A2B3011222, NRF-2019R1A2C2089785)와 기본연구 (NRF-2018R1D1A1B07040292) 및 한국기계연구원의 지원으로 수행되었으며, Materials Science, Multidisciplinary 세계적인 권위지인 ‘ACS Nano' (IF: 14.588)에 1월 7일 온라인 게재되었다. 논문제목 ‘Low-Temperature Synthesis of Wafer-Scale MoS2-WS2 Vertical Heterostructures by Single-Step Penetrative Plasma Sulfurization’.

※ PECVD 이차원 물질 합성 관련 논문 (김태성 교수 연구팀)
1) Low-Temperature Synthesis of Large-Scale Molybdenum Disulfide Thin Films Directly on a Plastic Substrate Using Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (안치성 et al., Advanced Materials, 27, 2015, 5223-5229)
2) Highly uniform wafer-scale synthesis of α-MoO3 by plasma enhanced chemical vapor deposition (김형우 et al., Nanotechnology, 28, 2017, 175601)
3) Low-temperature wafer-scale growth of MoS2-graphene heterostructures (김형우 et al., Applied Surface Science, 470, 2019, 129-134)
4) Wafer-Scale and Low-Temperature Growth of 1T-WS2 Film for Efficient and Stable Hydrogen Evolution Reaction (김형우 et al., Small, 16, 2020, 1905000)
5) Flexible MoS2–Polyimide Electrode for Electrochemical Biosensors and Their Applications for the Highly Sensitive Quantification of Endocrine Hormones: PTH, T3, and T4 (김형우 et al., Analytical Chemistry, 92, 2020, 6327-6333)
6) Realization of Wafer‐Scale 1T‐MoS2 Film for Efficient Hydrogen Evolution Reaction (김형우 et al., ChemSusChem, 2021) doi.org/10.1002/cssc.202002578
7) Low-Temperature and Large-Scale Production of Transition Metal Sulfide Vertical Heterostructure and Its Application for Photodetectors (Chaitanya et al., ACS Applied Materials & Interface, 2021)
8) Low-Temperature Synthesis of Wafer-Scale MoS2-WS2 Vertical Heterostructures by Single-Step Penetrative Plasma Sulfurization (석현호 et al., ACS Nano, 15, 2021, 707-718)

※언론보도현황
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