MoS2의 압전 현상

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-29

로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 연구진은 2차원 반도체 재료 속에서 압전성을 측정하는데 최초로 성공했다. 이 연구결과는 매우 작고 저전력을 사용하는 마이크로-전기기계적 시스템(micro-electromechanical systems, MEMS)과 고감도 바이오센서 속의 오프/온(off/on)을 전환시킬 수 있는 압전 장치와 같이 원자적으로 매우 얇은 장치를 디자인하는데 중요한 역할을 할 것이다. “분자 수준에서의 압전성 존재는 ‘밸리트로닉스(valleytronics)’의 개발에 도움을 줄 수 있는데, 이것은 에너지 피크(peak)와 밸리(valley)를 가진 파장으로서 결정격자으로 움직이는 전자스핀 및 운동량으로 정보를 기록할 수 있게 한다”라고 Hanyu Zhu가 설명했다. 압전성 재료들은 전기를 기계적 힘으로 변환시킨다. 그들은 기계적 변형을 가할 때 결정의 대칭을 변화시키거나 깨지게 하고 이로 인해 그들의 극성 방향을 따라서 편극 전하(polarization charge)를 생성함으로써 이것이 발생한다. 압전성은 1880년대에 처음 발견되었고 작동, 감지, 에너지 수집 등의 다양한 분야에 적용되었다. 이것은 MEMS와 전자장치 속에 점점 더 이용되고 있다. 2차원 전이금속 칼코겐화물(transition metal dichalcogenides, TMDCs)이라고 불리는 재료들은 상온과 대기압에서도 그들의 격자 재구성 없이 단일 층 이하의 원자 구조들을 가지기 때문에 완벽한 저차원 압전소자(piezoelectrics)를 만들 수 있다. 이것은 대부분의 재료 속의 압전성이 단일 분자 크기를 가지고 그들의 표면 에너지가 증가하기 때문에 열역학적으로 불안정하게 된다. 그러나 최근의 이론적 계산들은 그들의 부서진 반전 대칭(inversion symmetry) 때문에 이런 2차원 결정 속의 압전성의 존재를 예측할 수 있었지만, 지금까지 이것을 실제로 관찰하지 못했다. TMDC는 기술적으로 중요한 화합물이고, MX2의 화학식을 가지는 반도체성 재료이다. 여기서, M은 Mo, W이고 X은 S, Se를 나타낸다. 이 재료들은 벌크 상태에서 간접 밴드갭 반도체가 되고 단일층으로 만들어질 때 직접 밴드갭 반도체가 되기 때문에 광발광 다이오드와 태양전지와 같은 다양한 전자장치와 광전자장치에 유망하다. 직접 밴드갭을 가지고 있기 때문에 이런 재료로 만들어진 장치는 쉽게 온/오프될 수 있다. 이번 연구진은 몰리브덴 이황화물의 단일층 결정에서 그들의 압전성을 측정했다. 그들은 도핑과 기생 전하(parasitic charge)와 같은 기판의 원치 않는 효과를 피하기 위해서 매달려 있는 샘플을 조사했다. “이 방법은 MoS2의 압전성을 측정할 수 있게 한다”고 Zhu가 말했다. 이번 연구진의 측정 기술은 샘플에 평면 전기장을 인가한 후에 원자힘 현미경 속의 나노탐침을 이용한다. 유도 압전 막 응력(induced piezoelectric membrane stress)을 관찰함으로써 이번 연구진은 2.9 x 10-10 C/m의 압전계수를 얻을 수 있었다. 이 수치는 아연 산화물과 알루미늄 질화물과 같은 폭넓게 사용되는 압전 재료와 매우 유사하다. 이번 연구진은 압전성이 홀수의 MoS2 층을 가진 샘플에서만 단지 존재한다는 것을 발견했다. “이런 현상은 단지 한 개 유형 또는 가능한 한 적은 유형의 재료를 사용하는 분야에 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 이런 분야의 일부 장치들은 비-압전성이 될 필요가 있다.” 이 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 “Observation of piezoelectricity in free-standing monolayer MoS2”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nnano.2014.309). 그림 1. 압전성을 측정할 수 있는 장치. 그림 2. 유도된 압전 장력의 검출. pic1.jpg pic2.jpg http://nanotechweb.org/cws/article/tech/59751