STM을 이용한 2차원 반도체 소재의 표면 특성
정보화 시대에 필요한 휴대형
최근 집중적인 연구가 되고 있는 transition metal dichalcogenide(TMD)와 같은 2차원 층상구조 화합물들은 대부분 합성이 크게 어렵지 않고 자연계에서도 존재하여 가격도 저렴한 물질들이이다. 이러한 2차원 층상구조 물질들은 단결정 시편에서도 내부에 anti-site defect, vacancy와 같은 많은 defect들이 고유하게 존재한다. 일반적으로 이렇게 고유하게 존재하는 defect들은 각 화합물의 물성과 밀접하게 연관되어있다. 따라서 해당 소재의 물성을 깊이 이해하고 나아가 응용을 위한 물성의 최적화를 이루기 위해선 이러한 defect들에 대한 체계적인 연구가 반드시 필요하다. 이전 중점연구소 사업에서 수행한 선행연구에서 STM을 활용한 SnSe 내부에 존재하는 defect 조사결과 Sn vacancy, Se vacancy, Se-Sn-Se vacancy 들이 주로 존재함을 확인 할 수 있었다. 특히 Sn vacancy의 경우 발견되는 defect들 중 80% 이상을 차지하였다. 단결정 SnSe 시편의 경우 일반적으로 p 형 반도체 성질을 보이는데, Sn vacancy가 양공(hole)을 제공하는 역할을 하는 것이 p 형 반도체 특성을 보이는 근본 원인임을 처음 실험적인 방법으로 규명하였다. 이러한 경험을 바탕으로 후속 연구에서는 더욱 다양한 2차원/나노 소재들에 대한 원자수준의 defect 연구를 수행하고자 한다.
<그림 10> STM으로 조사한 SnSe 표면에서 관찰된 3종류의 defect 이미지 [Appl. Phys. Lett. 110, 262106].
2차원 층상물질에 존재하는 전하밀도파동(charge density wave) 연구 최근 몇 년간 새로운 개념의 저차원 양자 소재로 2차원 층상물질들이 꾸준히 많은 관심을 받고 있다. 특히, 그래핀과 유사하지만 독특한 위상 상태를 가진 위상 절연체, 깨진 격자 및 시간의 대칭성에 기인한 Weyl 전하를 가진 Weyl 반금속, 입자와 반입자가 같은 Majorana 전하가 존재할 것으로 예상이 되는 위상 초전도체 등에 대한 연구가 집중되어 왔다. 이들 현상과 더불어 최근에는 전하밀도파동(charge density wave; CDW)에 대한 관심이 점점 높아지고 있는 추세이며, 다양한 적층구조 칼코겐 화합물에서 나타나는 CDW의 근원이 무엇인지에 대한 연구가 집중적으로 이루어지고 있다. 일반적으로 Fermi surface nesting, electron-phonon interaction, Peierl’s distortion 등이 CDW의 근원들로 고려되고 있지만, 이것을 실험적으로 명확히 규명하는 것은 쉽지 않은 문제이다.
<그림11> 주요 적층구조 칼코젠 화합물에 기본적인 물성 정리 표
Bulk VSe2에서 보이는 CDW가 Tc=~110K로 알려져 있는 반면, Yang et al., Appl. Phys. Lett. 105 063109 (2014)에 의하면 VSe2의 두께가 70 nm에서 10 nm 근처로 얇아짐에 따라 CDW의 Tc가 ~96K에서 ~82K까지 점진적으로 떨어지는 경향성을 보고하였다. 이 결과에 의하면 10 nm 두께 이하의 VSe2에서는 CDW가 완전히 사라질 것으로 예상할 수 있다. 하지만, 또 다른 그룹에서 발표한 Xu et al., Angew. Chem. Int. Ed. 52 10477 (2013)에 의하면 3~5 nm 두께의 VSe2에서도 CDW가 존재한다고 주장하였으며, Tc 또한 135K으로 보고하였다. 이는 Yang et al.의 예측과 상충할 뿐만 아니라, bulk Tc 보다도 훨씬 높은 온도이다. 위에서 소개된 두 연구결과가 서로 모순되는 상황이다. 본 연구에서는 수 나노미터에서 수십 나노미터 영역의 두께의 VSe2에서 존재하는 CDW에 대한 미해결 이슈들을 규명하고자 한다. 기존의 보고된 결과들에서 가장 큰 차이를 보이는 수 나노미터 두께의 영역에서 직접적으로 VSe2에 존재하는 CDW를 STM으로 측정하고, 두께에 따라 CDW에 어떤 변화가 나타나는지 체계적으로 조사하고자 한다.
금속산화물 표면 구조 분석 및 defect 연구
Cu2O는 뛰어난 물성을 가지고 있어 태양 전지, 광촉매, CO 산화 등 다양한 목적의 응용 가능성에 대한 연구가 이루어지고 있는 물질이다. 하지만, Cu2O(111) 표면 구조와 termination 원자에 대하여 최근까지도 서로 대치되는 연구결과들이 보고되고 있어 이슈가 되고 있다. 이원 산화물에서 항상 존재하는 산소 결손은 전자를 제공하는 경향이 있어, p 형 특성을 나타내는 것은 드문 경우이다. 반면 Cu2O는 안정적인 p 형 반도체 특성을 가지고 있어 산화물 전자소자에서 이상적인 p 형 반도체 소재 후보로 고려되고 있다. 이론적 계산에 의하면 Cu2O에서 가장 낮은 생성 에너지를 가지는 defect는 Cu vacancy로 알려져 있다. 바로 이 Cu vacancy가 양공을 제공하는 역할을 하여 Cu2O에서 p 형 반도체 특성이 나타나는 것이 이론적 예측이다. 하지만, 실험적으로 원자수준에서 어떠한 종류의 defect가 존재하며 이들이 어떻게 Cu2O의 물성에 영향을 주는지에 대한 연구는 거의 되어 있지 못하다. 본 과제에서는 STM을 활용하여 Cu2O(111) 표면에 고유하게 존재하는 defect들을 원자수준에서 조사하고, 각 defect들의 전기적 특성을 다양한 tunneling spectroscopy 기술을 이용하여 분석할 것이다. 이러한 정보들을 기반으로 Cu2O가 p 형 특성을 보이는 근본적인 원인에 대해 실험적 규명을 하고자 한다.
<그림 12> Cu2O(111) 표면 구조에 대한 DFT 계산 결과 (Nilius et al. PCCP 18, 6729).
2차원 층상물질에서 계면의 변화가 전자구조 재구성에 미치는 영향 연구
표면 및 계면의 변화로 야기되는 전자구조 재구성은 고체물리학에서 중요한 이슈로, 특히 산화물 복합구조에서 집중적으로 연구되어 왔다. 최근에는 적층구조의 반데르발스(van der Waals) 시스템에서 저차원구조 및 이질계면(heterointerface)에 의한 전자구조 재구성에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는 추세이다. 특히 전이금속칼코겐 화합물이 단원자층 두께가 되었을 때 밴드갭 구조, 초전도, 강자성, 전하밀도파(charge density wave) 등과 같은 다양한 물성에 변화가 생겨 이는 많은 관심을 받고 있는 주제이다. 반데르발스의 약한 상호작용으로 인해 전이금속칼코겐 화합물에서 계면의 역할은 종종 무시되곤 하지만, 최근 그래핀에서 발견된 초전도 현상처럼 반데르발스 물질에서도 계면은 아주 중요한 역할을 한다.
덩어리 VSe2는 금속성 전이금속칼코겐 화합물로 독특하게 4×4×3 nesting vector를 갖는 3차원 전하 밀도파를 보이며 전이온도(TCDW)는 105 K으로 알려져 있다. 최근에는 이론적으로 예측되었던 강자성 성질이 그래핀 위에 성장된 단원자층 VSe2에서 실험적으로 보고되었다. 하지만, 동일한 시스템에 대한 XMCD(X-ray magnetic circular dichroism) 실험에선 강자성이 발견되지 않았다는 보고도 나오고 있어 이는 저차원 구조의 VSe2에 대한 새로운 이슈가 될 것으로 예상된다. 해당 이슈를 명확히 규명하기 위해 STM을 활용하여 그래핀-VSe2 계면이 VSe2의 물성 변화에 어떤 역할을 하는지 체계적인 연구를 수행하고자 한다.
금속산화물 초기 산화과정 및 촉매반응 연구
초기 산화 단계에선 Cu-O 육각형 링으로 이루어진 소위 "44" 및 "29" 구조의 Cu2O 유사 표면이 형성된다고 알려져 있다. "44", "29" 구조가 CO와 반응하였을 때는 준안정 상으로 오각형 Cu-O 링으로 결함이 있는 구조로 변환되기도 한다. "44", "29" 구조에 대한 이론 모델들이 제시되었지만, 현재까지 STM topography 조사에서 확인된 결과와는 잘 일치하지 않아 고분해능의 STM 연구가 필요하다. "44", "29" 구조의 경우 구리표면에 형성된 초기산화층으로 구조 및 물성이 Cu2O와 큰 차이가 있으며, 이들 구조에서 촉매반응성이 아주 높을 것으로 기대되고 있어 많은 관심을 받고 있는 소재이다. 본 과제에서는 구리표면의 초기 산화과정을 원자수준에서 조사하고, "44", "29" 구조에 대한 정확한 모델을 제시하고자 한다. 이러한 구조에 대한 명확한 이해를 기반으로 CO 산화와 같은 촉매반응이 표면에서 어떤 과정으로 일어나는지 STM을 활용하여 원자수준에서 연구하고자 한다.
<그림 13> Cu2O의 초기 산화단계로 제안된 "44", "29" 구조 이론모델 [Matsumoto et al, Surf. Sci. 471, 225 (2001)].