레고처럼 내가 만들어 쌓는 세계 최고 품질의 2차원 반도체 나노소자

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레고처럼 내가 만들어 쌓는 세계 최고 품질의 2차원 반도체 나노소자
제안자 김영욱
자문교원 김영욱
연도 2020
타입 A형 과제
코스 프란시스 크릭
매칭여부 Yes
참여학생수 3
소개동영상

제안 배경

그래핀이 발견된 이후 많은 2차원 물질이 발견되었고, 특히 원자 한층 혹은 두층의 2차원 반도체 및 디락 금속 소자에서 새로운 물성 등이 발견되었다. 이론적으로, 이런 원자 한층의 2차원 반도체 및 디락 금속 물질의 광 특성 혹은 전하수송 특성을 이용한다면 새로운 양자 상태 뿐만 아니라 응용 가능한 소자로 무궁무진한 가능성을 가지고 있다. 새로운 물성을 보려면 이론적인 영역에 다가갈 수 있는 고품질의 “나노소자”가 필요하다. 하지만 국내외를 통틀어 이런 최고의 품질을 만들 수 있는 그룹은 손에 꼽을 정도이다.

과제 목표

이번 과제에서는 반데르발스 힘을 이용하여 서로 다른 이차원 물질을 레고블럭 만들 듯 쌓아서 세계 최고수준의 반도체 나노소자를 만드는 것이다. 소자의 품질은 전하수송 및 분광학적 성질로 알아본다.

과제 내용

2차원 물질이라 함은 반데르 발스 결합으로 되어 있는 물질 (예를 들어 흑연, Graphite)의 한층을 얘기한다. 이런 물질은 수직방향으로 반데르 발스 결합으로 되어있기 때문에 스카치 테이프를 이용하면 원자 한 층을 손쉽게 박리 할 수 있다. 현재 고체물리학을 포함한 재료과학 및 공학에서 가장 연구가 활발히 진행되는 분야가 바로 이런 2차원 반데르발스 물질이다. 하지만 대부분의 연구는 흑연의 한층인 Graphene (2010년 노벨상수상)과 Transition Metal Dichalcogenide (줄여서 TMDC)에 집중이 되어있다. 물론 이런 물질에서 새로운 물성과 응용가능성이 뛰어난 물성들로 인하여 연구가 진행되어왔지만, 이런 반데르 발스 물질은 무궁무진 하며 좀 더 생각해보면, 더 재밌고 지금까지 밝혀지지 않은 “Hidden State”가 있는 물질을 찾아 낼 수 있다. 이런 숨겨진 상태는 말 그대로 숨겨져 있기 때문에 후보물질로 만들어진 일반적인 소자에서는 찾아내기가 쉽지가 않다.

이번 UGRP 연구에서는 반데르 발스 힘을 이용하여 2차원 물질을 잘 쌓아 고품질의 소자를 만드는 것을 목표로 한다. 제안한 김영욱교수가 발견한 새로운 polymer와 원자 힘 현미경을 통하여, UGRP연구이지만 세계 최고 수준의 소자를 만들 것이다. 때에 따라서는 한 가지 물질만을 쌓는 것이 아니라 서로 다른 두 개의 물질을 조합하여 자연에 존재 하지 않는 Artificial Nano Crystal 소자를 만들고 이에 물성을 조사할 것이다. 현재 고려하고 있는 소자의 종류는 Graphene을 두장을 각도를 조절하여 비틀려가며 쌓은 Twisted Bilayer Graphene, 그리고 지금까지 보고 된 적 없는 SnSe, SnTe 원자 한 층의 나노소자 그리고 Bi2OSe2 나노 소자 이다. 이런 물질은 현대 고체물리학의 최전선에 있는 물질로 UGRP 연구 뿐 만 아니라 실제로 분야 최고지의 보고할 수 있는 가장 최신의 연구이다.

참고자료

Youngwook Kim et al, Physical Review Letters 110, 096602 (2013) Youngwook Kim et al Nano Letters 15, 7445–7451 (2015) Youngwook Kim et al, Nano Letters 16, 5053–5059 (2016) Youngwook Kim et al Nature Physics 15, 154-158 (2019) S.Mashhadi*, Youngwook Kim* et al Nano Letters 19, 4659-4665 (2019)

희망학생