딥펜 나노 리소그래피를 통한 이황화몰리브덴 전계 효과 트랜지스터의 전하 수송 특성 제어 연구

Abstract

이황화몰리브덴과 딥펜나노리소그래피를 활용하여 이황화몰리브덴의 표면에 나노 패터닝을 통해 이황화몰리브덴의 구조적, 전기적 특성 변화를 확인하였고 패터닝을 통해 트랜지스터의 전기적 특성 제어를 목표로 한다. 응용 분야로 광검출기 또는 p-n 접합 등 하나의 소자 내에서 추가 공정없이 나노스케일의 패턴을 통해 p-n접합이 가능하고 실제 잉크 패턴에 따른 트랜지스터 전기적 특성 메커니즘를 규명을 목표로 한다. 나노 기술의 발전에 있어 나노스케일의 구조 제작 및 원하는 위치에 연결하는 리소그래피가 필요한 실정이다. 나노입자, 나노와이어, 플라즈모닉 물질, 그리고 유기 반도체 등에 더불어 그래핀과 전이금속 디칼코지나이드계와 같은 2차원 물질의 접합을 통해 나노전자, 나노광학, 유기 전자와 생체의학와 같은 응용 분야에서 활용가능하다. 그에 맞추어 가장 적합한 나노리소그래피 접근이 이루어지고 있고 본 연구에서 딥펜 나노리소그래피를 활용하여 2차원 물질의 표면 제어에 대해 연구를 진행하였다. 딥펜 나노리소그래피는 스캐닝 프로브 리소그래피 기술에서 원자간력 현미경의 팁을 사용하여 다양한 잉크를 직접 기판에 전달하여 패턴을 제작하는 기법이다. 이 기법을 활용할 경우 100 nm 이하의 표면 패터닝을 구현할 수 있다. 즉, 원자간력 현미경의 팁은 “펜”으로써 역할을 하고 잉크는 화학적 결합물로 “잉크” 역할을 하고, 그리고 팁이 접촉되는 기판이 “종이” 역할을 한다고 볼 수 있다. 또한, 팁이 접촉되었을 때 기판과 생기는 주변 습기에 의해 모세관 현상에 의해 물 기둥이 발생하여 잉크 물질을 확산하여 잉크를 기판 표면에 흡착하는 방식으로 패턴을 형성할 수 있다. 그래핀과 달리 밴드 갭이 존재하는 2차원 나노 소재인 전이금속 다이칼코지나이드계 물질 중 대표적인 물질인 이황화 몰리브덴의 경우 n-type 채널 물질이고 다른 소재에 비해 상대적으로 큰 밴드갭를 가지고 있어 전기적 및 광학적 특성에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다. 여기서, 딥펜 나노리소그래피라는 도구를 활용하여 이황화몰리브덴의 표면 패턴을 통해 트랜지스터 거동을 제어하고자 패턴에 따른 전기적 신호 변화를 확인하였다. 펜으로 활용되는 팁과 잉크의 농도에 따라 전사되는 물질이 다름을 확인하였다. 잉크 농도가 3 mM미만으로 잉크를 사용할 경우 펜에 존재하는 AuCl3 잉크가 금 나노입자로 존재하여 이황화몰리브덴에 전자를 줄 수 있고 n-type 도핑 효과를 확인하였고 3 mM 이상에서는 잉크가 염이 존재하여 전자를 받는 형태로 p-type 도핑 효과를 확인하였고 이를 활용해 하나의 소자 내에 추가 공정 없이 잉크의 농도를 바꾸는 상대적으로 간단한 작업을 통해 p-n 정류기와 광검출기를 통해 성능 향상을 구현하였다. 딥펜 나노리소그래피의 역할을 정확히 확인하기 위해 잉크가 없는 팁을 활용하여 동일 조건에서 다층 이황화몰리브덴의 표면을 처리하였을 경우 트랜지스터에서 문턱 전압이 음의 방향으로 이동하는 현상이 관측되었다. 즉, 채널이 좀 더 열리기 쉬운 형태로 성능이 향상한 결과이다. 나아가 단일층 이황화몰리브덴의 표면을 처리하였을 경우 전형적인 물 또는 산소에 의한 효과로 소자 성능이 감소하는 현상을 확인하였다. 딥펜 나노리소그래피 특성 상 국소적인 영역에 표면를 처리할 수 있다는 점에서 물 또는 산소가 이황화몰리브덴 표면과 화학적 작용을 하는 것으로 예상된다. 화학적 결합이 가능한 이황화몰리브덴의 황이 떨어진 결함에서 물 또는 산소가 전자를 받게 되어 결합을 형성할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 물 또는 산소가 표면에 흡착되어 전자가 표면 전하 이동 도핑 효과로 인해 p-type 도핑 효과를 확인하였다. 나아가 메커니즘을 분석이 정확히 규명된다면 소재 표면의 표면처리가 아닌 한 소재내에서 다양한 결합을 구현함에 따라 전하 수송 특성 제어가 가능할 것으로 보여진다.