국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 기초과학연구원(원장 오세정·IBS) 「원자제어저차원전자계연구단」(단장 염한웅, POSTECH 물리학과 교수)의 최희철 부단장 겸 그룹리더 (POSTECH 화학과 교수) 연구진은 금 촉매를 이용하여 그래핀을 대체할 차세대 반도체 소재로 각광받고 있는 2차원 이황화몰리브덴(MoS2)을 처음으로 대면적 및 원하는 기하학적 형태로 제작이 가능한 반응법을 개발했다고 13일 밝혔다.

금 촉매를 이용하여 ‘2차원 이황화몰리브덴’을 선택적으로 균일하게 합성한 이번 연구는 세계 최초로 2차원 이황화몰리브덴을 원하는 크기와 기하학적 형태로 균일하게 합성하고 이를 반도체 소자로 제작할 수 있음을 규명했다.

이번 연구 결과를 통해, 2차원 이황화몰리브덴을 향후 굴절·투명 전자 소자와 같은 차세대 반도체 산업으로의 적용이 예상된다.

또 2차원 이황화몰리브덴은 반도체성 층상 재료(layered material)로서, 그래핀과 구조적으로 유사하나 전도체인 그래핀과는 달리 반도체성을 지녀 태양전지, 저전력 트랜지스터, 플렉시블 디스플레이, 투명 전자소자 등 그 응용처가 매우 넓을 것으로 기대된다.

연구진은 기존의 단순 증착과는 달리, 금과의 표면합금 형성이라는 새로운 방법을 개발했다.

즉, 금 표면 위에 몰리브덴이 포함된 화합물을 주입하면 몰리브덴 원자가 분리되어 금과 섞여 이른바 표면합금(surface alloy)이라 불리는 원자 수준으로 얇고 균일한 합금이 생기는데, 이에 황화수소를 차례로 주입하면 그 중 몰리브덴만 선택적으로 반응하여 원자 수준으로 얇은 2차원 이황화몰리브덴을 합성·분리해 냈다.

또 이는 금 위에서만 선택적으로 일어나는 반응이므로 금 박막을 원하는 기하학적 형태로 증착하면 그에 맞추어 이황화몰리브덴 또한 그 크기와 형태를 지니고서 성장함을 규명했다. 

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이번 연구성과는 14일 화학 분야의 권위 학술지인 「안게반테 케미(Angewande Chemie)」 온라인에 게재*됐으며 또한 그 우수성을 인정받아 1월호 표지 논문(Inside Back Cover)으로 게재될 예정이다. 

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* 논문제목 : ‘금 촉매 기반 화학기상증착법으로 성장한, 패턴 가능한 대면적 이황화몰리브덴 2차원 원자층’(Patternable Large-Scale MoS2 Atomic 2D Layers Grown by Au-Assisted Chemical Vapor Deposition**), 제1저자 POSTECH 송인택, 교신저자 : IBS 원자제어저차원전자계 연구단 최희철 그룹리더.

최희철 부단장은 “이번 연구 결과로 표면합금이라는 새로운 방법을 통해 기존의 성장방법이 이루지 못 했던 패턴화 성장을 처음으로 이뤘으며, 이는 기존 실리콘 기반 반도체를 대체할 차세대 원천 소재의 합성방법을 개발하였다는 점에서 중요한 의미를 지닌다”고 말했다.

본 연구의 일부는 ‘미공군과학연구실과의 국가간 합의사업‘과 제1저자인 송인택 군이 지원 받는‘글로벌박사펠로우십 프로그램‘의 지원을 받았다.