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탄소 원자를 이용한 2차원 반도체 재료의 개질

<KISTI의 과학향기> 제3414호

미국 펜실베이니아 주립대학(The Pennsylvania State University)의 연구진은 반도체 물질인 텅스텐 이황화물의 단일 원자 층 속에 탄소-수소 분자를 도입함으로써 재료의 전기적 특성을 매우 변화시킬 수 있었다. 이 연구결과는 새로운 유형의 에너지 효율적인 광전기적 장치와 전자 회로를 개발하는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
 
반도체인 전이금속 디칼코게니드(dichalcogenide)는 도핑(탄소 첨가)하기 전에는 n-형 전자 전도성을 가졌다. 황 원자를 탄소 원자로 치환한 후에는 바이폴라 효과(bipolar effect)를 가지게 되었다. 바이폴라 효과는 p형-홀과 n형-전자를 동시에 가지는 것을 말한다. 이것은 양극성 반도체를 만들 수 있게 한다.
 
2 원자 % 정도를 첨가함으로써 특성이 극적으로 바꿀 수 있다는 사실은 예상치 못했다.
 
탄소가 많이 도핑되면, 매우 높은 캐리어 이동도를 가진 p-형을 생성할 수 있다. 이런 유형의 반도체는 이전에는 볼 수 없었던 n+/p/n+과 p+/n/p+ 접합을 만들 수 있게 한다. 반도체는 산업 전반에서 다양하게 적용된다. 이런 장치의 대부분은 다양한 종류의 트랜지스터이다. 노트북 속에는 약 100 조개의 트랜지스터가 존재한다.
 
이런 유형의 물질은 전기 화학적 촉매 작용에 우수하다. 반도체의 전도성을 향상시키면서 동시에 촉매 작용을 할 수 있다.
 
특정 조건 하에서 동시에 여러 공정을 수행해야 하기 때문에 2차원 물질의 도핑에 관한 논문은 거의 없다. 이번 연구진의 기술은 메탄이 분해되는 752℉의 온도로 가열하기 위해서 플라즈마를 사용했다. 또한 플라즈마는 원자 층에서 황 원자를 분리할 수 있을 정도로 충분히 강해서 탄소-수소를 황 원자와 치환시킨다. 단일 층을 도핑하는 것은 쉽지 않고, 캐리어 이동을 측정하는 것은 매우 어렵다.
 
이번 연구진은 실험 연구를 이끌 수 있는 이론적인 계산을 제시했다. 즉, 2차원 물질의 도핑은 광학적 및 전기적 특성을 변화시킬 수 있는데, 이것을 이론적으로 예측할 수 있게 만들었다. 또한 탄소 치환량을 점차적으로 증가시켰을 때 발생하는 트랜지스터 속의 캐리어 이동도 변화를 관찰했다. 음에서 양으로 전도 유형이 완전히 변할 때까지 전도도가 급격하게 변하는 것을 확인할 수 있었다.
 
이 연구결과는 저널 Science Advances에 “Carbon doping of WS2 monolayers: Bandgap reduction and p-type doping transport” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/sciadv.aav5003).

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