두 가지 2차원 물질로 구성된 반데르발스(vdWs) 이종구조는 매력적인 전기적, 광전자적 특성으로 광범위한 주목을 받고 있습니다. 본 논문에서는 화학기상증착(CVD)법으로 고품질 대면적 그래핀 필름을 먼저 제조하고, 이를 SiO₂/Si 기판에 전사했습니다. 이후 대기압 화학기상증착법으로 그래핀/WS₂ 및 그래핀/MoS₂ 이종구조를 제조했는데, 이는 그래핀/SiO₂/Si 기판 위에 WS₂와 MoS₂ 물질을 직접 성장시킴으로써 달성했습니다. 마지막으로 AFM, SEM, EDX, 라만, PL 분광법으로 그래핀/TMDs 이종구조의 시험 특성화를 수행해 형태와 발광 법칙을 파악했습니다. 시험 결과 그래핀/TMDs vdWs 이종구조가 매우 우수한 필름 품질과 스펙트럼 특성을 가짐을 보여줍니다. 그래핀/TMDs 이종접합 계면에 내장 전기장이 존재하여 광생성 전자-정공 쌍의 효과적 분리를 유도합니다. 단층 WS₂와 MoS₂ 물질은 강한 광대역 흡수 능력을 가지며, 그래핀/WS₂ 이종구조 물질이 빛에 노출되면 WS₂의 광생성 전자가 하부 p형 그래핀으로 전이하고 남은 정공이 광게이트 효과를 유도하는데, 이는 일반적인 반도체 광전도체와 대조됩니다. 그래핀/TMDs 이종구조 스펙트럼 특성 연구는 새로운 광전자 소자 응용의 길을 열 수 있습니다.
칩 집적도 증가에 따라 기존 실리콘 기반 금속산화물반도체(CMOS) 트랜지스터 크기가 작아지고 소자 제조 공정이 훨씬 복잡해지면서 연구자들은 초박막 이종구조 기반 광전자공학에 주목하기 시작했습니다[1, 2]. 2차원(2D) 이종구조는 층간 약한 반데르발스(vdWs) 힘과 층 내 강한 공유결합으로 결합될 수 있습니다. 약한 반데르발스 결합을 끊어 층을 분리한 후 다른 기판으로 쉽게 전사할 수 있습니다[3]. 서로 다른 2D 물질을 적층하여 새로운 원자 수준 2D vdWs 이종구조 형성이 가능하며, 2D 이종구조의 시너지 효과가 매우 중요해집니다. 동시에 이종구조 인접 결정 간 전하 재배열과 구조적 변화가 발생하며, 각 구성 물질 상대적 방향 조정으로 제어 가능합니다. 서로 다른 이종구조는 단일 물질 특성 유지뿐만 아니라 시너지 효과 하에서 새로운 물리적 특성 생성[4,5,6]. vdWs 이종구조는 새로운 물리 현상과 법칙 탐구 물질적 보장으로, 우수한 광전 특성 나노전자 소자 가능성 제공[7].
2D 결정질 물질이 빛에 강한 상호작용을 보여 광감응 물질로 광범위한 주목[7]. 그래핀은 우수한 전기적, 광학적, 기계적 특성 가진 원자 수준 2D 물질로 광전자 분야 광범위 응용[8,9,10]. 그러나 제로 밴드갭 결함이 그래핀 응용과 발전 제한. 2D 전이금속 디칼코게나이드(TMDs) 물질 구조가 그래핀과 유사하며, 밴드갭 폭이 층 수와 두께에 따라 변화[11, 12]. 상호 보완적 장점 가진 TMDs와 그래핀 물질 적층으로 그래핀과 TMDs 물질 광전 검출 분야 응용 촉진[13,14,15]. 그래핀 높은 이동도 소자 빠른 응답 보장, TMDs 물질 전자 상태 밀도 반호프 특이점 빛-물질 강한 상호작용 보장, 빛 흡수와 전자-정공 쌍 생성 효과적 증진[16, 17]. 2D 이종구조 전하 터널링 또는 전하 축적 수송 특성, 유연한 에너지 밴드 엔지니어링, 독특한 층간 엑시톤 특성으로 신규 전자 광전자 소자 널리 활용[18, 19]. 그래핀과 TMDs 물질 간 층간 시너지 상호작용이 이종구조 밴드 구조, 자성, 엑시톤 특성 효과적 제어 가능. 그래핀/TMDs 이종구조 강한 양자 구속 효과로 높은 광감도, 광응답 성능[18, 19]. 현재 대면적, 대형, 고품질 그래핀/TMDs 이종구조 제어 가능 제조 방법 연구 적음. 이종구조 제조 공정 복잡, 반복성, 제어성 측면 큰 과제[20, 21]. 또한 그래핀/TMDs 이종구조 스펙트럼 특성 이해 파악 어려워 향후 광전자 소자 적용 크게 저해[22].
본 논문에서는 유전율, 밴드갭 폭, 흡수 계수 다른 세 반도체 물질로 그래핀/WS₂, 그래핀/MoS₂ 이종구조 구성. 2D 물질을 SiO₂/Si 기판 단결정 그래핀 필름 위에 직접 성장시켜 그래핀/TMDs 이종구조 형성, 깨끗한 계면과 원자 수준 이종구조 전이 보장. 그래핀, MoS₂, WS₂ 구조 AFM, SEM, EDX, 라만, 광발광 분광법 분석해 그래핀/TMDs 이종구조 스펙트럼 특성 파악, 고속 전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 및 광전 검출기 제조 활용[23,24,25].
대면적 고품질 그래핀 필름은 관형로, 가스 혼합 시스템, 진공 기계 구성 CVD 시스템으로 제조. 우선 10 cm × 10 cm 크기 구리박을 1 mol/L 염산 용액에 3분 초음파 세척. 이후 물, 에탄올 순서로 세척. 아르곤 가스 불어 건조. 석영관 중앙 삽입, 시스템 설치, 기압 보정[26](그림 1).
a 그래핀 성장 CVD 시스템 다이어그램, b 그래핀 성장 중 온도 곡선
다결정 구리박이 그래핀 품질 영향 주므로 그래핀 성장 실험 전 구리박 기판 어닐링 필요. 1단계 어닐링 공정 조건: 어닐링 온도, 시간, 수소(H₂) 가스 유량 각각 1000°C, 20분, 30 sccm. 이때 구리박 표면 대면적 단결정 도메인 형성, H₂ 가스 산화구리 환원, 고순도 구리 기판 획득. 2단계 진입 시 성장 온도 유지, H₂ 가스 유량 10 sccm 조절, 동시에 35 sccm 메탄(CH₄) 가스 도입, 성장 시간, 성장 압력 각각 10분, 1.08 Torr 유지, CVD 실험 그래핀 성장률 약 16 μm/s로 비교적 균일 단일층 그래핀 필름 제조 보장[27, 28]. 최종 관형로 특정 속도 실온 급랭, 기판 표면 손상 방지.
단일층 그래핀 물질을 SiO₂/Si 기판 전사 공정 설명[29]. 우선 질량분율 4% PMMA 용액을 1 cm × 1 cm 크기 단일층 그래핀 물질 표면 균일 스핀코팅, 회전속도, 시간 각각 3000 R/min, 1분. 다음 (NH₄)₂(SO₄)₂ 질량분율 3% 용액으로 구리박 기판 에칭, 처리시간 3-4시간. 유리 슬라이드 PMMA/그래핀 탈이온수 2-3회 반복 세척, PMMA/그래핀 50°C 항온대 SiO₂/Si 기판으로 이동, 단일층 그래핀 물질과 SiO₂/Si 기판 사이 수증기 제거, 단일층 그래핀 물질 SiO₂/Si 기판 더 잘 부착. 이 단계에서 1 × 1 cm² 크기 SiO₂/Si 기판 아세톤, 에탄올, 물 초음파 세척 15분, SiO₂/Si 기판 표면 매우 깨끗 균일, 그래핀/TMDs 이종구조 성장 유리. 최종 PMMA/그래핀/SiO₂/Si 아세톤 용액 3-4시간 담가 PMMA 용해, 알코올, 탈이온수 반복 세척으로 단일층 그래핀 필름 SiO₂/Si 기판 전사 보장.
CVD 이중 온도존 관형로에서 그래핀/SiO₂/Si 기판 MoS₂, WS₂ 물질 성장용. MoO₃, WO₃, 황 분말 각각 몰리브덴원, 텅스텐원, 황원 성장용. 고순도 Ar 가스 그래핀/MoS₂, 그래핀/WS₂ 이종구조 각각 제조용. 우선 100 mg 황 분말 석영보트 관형로 상류 배치. 2 mg MoO₃ 분말(또는 WO₃ 분말) 다른 석영보트 충전, 그래핀/SiO₂/Si 기판 MoO₃ 분말(또는 WO₃ 분말) 위 뒤집어 놓음. 그래핀/SiO₂/Si 기판과 MoO₃ 분말(또는 WO₃ 분말) 장착 석영보트 관형로 고온역 삽입. 가열벨트 석영관 감아 황 분말 가열, 황 분말 잘 제어 균일 기화 보장(그림 2a). 고순도 Ar 가스 50 sccm 유량 캐리어 가스용, 황 분말 기화온도 150°C 제어, MoS₂, WS₂ 성장온도, 성장시간 각각 750°C, 920°C, 10분. 동시에 1단계 온도 100°C 10분 유지, 관형로 수증기 제거. 구체적 온도 변화 다이어그램 그림 2b. 이후 황 분말 승화 황증기 생성, Ar 가스 구동 고온역 도달, MoO₃, WO₃ 분말 완전 반응, 생성물 그래핀/SiO₂/Si 기판 증착. 그래핀/TMDs 이종구조 성장률 TMDs 물질 성장률과 일치[30]. MoS₂, WS₂ 물질 성장 후 관형로 자연 냉각 실온, 기판 색 연한 노란색 변함.
a 그래핀/TMDs 이종구조 제조 개요도, b 성장온도-시간 관계 곡선
본 논문 그래핀/TMDs 이종구조 시험 특성화 방법: 광학현미경(OM), 라만, 광발광(PL) 분광법, 전계방사 주사전자현미경(FESEM), 에너지분산형 X선 분광법(EDX), 원자력현미경(AFM). 우선 광학현미경, SEM, AFM으로 그래핀/TMDs 이종구조 표면 형태 관찰. 이종구조 샘플 상반된 대비 따라 층수 판단. 다음 그래핀/TMDs 이종구조 스펙트럼 특성 시험 특성화. 특성화 결과 기반 TMDs 물질 그래핀 표면 성장 형태, 성장 패턴, 성장 기전 분석 추측[31]. 라만 분광법 2D 물질 특성화 시 신속, 고효율, 저파괴 장점. 샘플 표면 전자-포논 상호작용 직접 관찰, 2D 물질 매우 넓은 응용 범위. 라만 스펙트럼 특성 피크 위치, 특성 피크 파수 차이 등 특성 분석으로 2D 물질 층수, 결정 품질 효과적 판단. 마지막으로 PL 스펙트럼도 2D 물질 특성화 분석 중요 방법. 벌크 물질 단일층으로 얇아질 때 TMDs 물질 밴드갭 간접 밴드갭 반도체에서 직접 밴드갭 반도체 변화. 동시에 형광 효과 현저 증진, PL 스펙트럼 명백한 특성 피크 출현. 그러나 그래핀/TMDs 이종구조 결정 품질 높지 않으면 샘플 층수 적거나 단일층이라도 PL 스펙트럼 특성 피크 강도 작음. 따라서 샘플 층두께, 결정 품질 PL 스펙트럼으로도 판단 가능. 추가 FESEM, EDX로 그래핀/TMDs 이종구조 필름 분포, 원소 종류, 농도 백분율 획득. AFM 테스트로 이종구조 필름 샘플 표면 청결도, 거칠기, 물질 두께 파악.
PL, 라만 스펙트럼 모두 HORIBA Jobin Yvon(프랑스) 제작 LabRAM HR Evolution 고분해능 라만 분광기로 수집[32, 33]. 라만, PL 스펙트럼 범위 각각 300 cm⁻¹-3000 cm⁻¹, 550-800 nm. 라만, PL 스펙트럼 파워 각각 10%, 5%. 구체적 시험 조건: 분해능 ≤ 0.65 cm⁻¹; 공간 분해능: 수평 ≤ 1 μm, 수직 ≤ 2 μm; 532 nm 레이저, 50× 대물렌즈(빔 스팟 직경 1.25 μm, 100% 레이저 파워 7500 μW/cm² 상당); 스캔 시간 15초, 누적 횟수 2.
이종구조 형태 라만 분광기 고분해능 현미경으로 구분. 그림 3a SiO₂/Si 기판 다른 위치 그래핀/WS₂ 이종구조 광학현미경 이미지. SiO₂/Si 기판 전사 그래핀 필름 색상 차이 크지 않아 그래핀 필름 상대적 균일, 완전. 그래핀/SiO₂/Si 기판 표면 소량 입자 외 깨끗, 우수 품질 그래핀 필름 존재 지시. 한편 WS₂ 성장 실험 기체 농도 충분 시 WS₂ 핵생성 밀도 최대. 그래핀/SiO₂/Si 기판 성장 WS₂ 균일 입자 표면, 변길이 약 120 μm 삼각구조 결정립. WS₂ 형태 규칙적 완전, 두께 균일, 기계적 박리 샘플 크기보다 훨씬 큼[34]. 그림 3b WS₂ 샘플 형광 강도 고도 균일 분포, 삼각 단일층 WS₂ 필름 고품질, 저결함 지시. 그림 3c, d WS₂ 필름 샘플 형태 삼각형, WS₂ 필름 두께 0.83 nm, 단일층 WS₂ 필름 제조 지시. 추가 SEM WS₂ 샘플 필름 형태 분석, 규칙적 삼각형 균일 두께(그림 3e). 그림 3f EDX 스펙트럼 텅스텐, 황, 탄소 원소 나타남, 그래핀/WS₂ 이종구조 물질 성공적 전사 제조 확인.
a 광학현미경, b 매핑 이미지, c AFM 이미지, d 높이 프로파일 이미지, e FE-SEM 이미지, f SiO₂/Si 기판 그래핀/WS₂ 이종구조 EDX 스펙트럼
물질 분자 진동, 회전 정보 라만 분광법 획득, 물질 구조 식별 지문 진동 스펙트럼. WS₂ 샘플 라만 스펙트럼 특성 피크 위치, 파수 차이로 층수, 결정 품질 효과적 판단. 그림 4a WS₂ 샘플 다른 위치 라만 스펙트럼, E²g₁, A₁g 특성 피크 각각 350.4 cm⁻¹, 416.1 cm⁻¹ 위치. 벌크 WS₂ 단일층 물질 변화 시 E²g₁, A₁g 특성 피크 각각 청색편이, 적색편이. 따라서 두 특성 피크 파수 차이 층수 판단, 파수 차이 65.7 cm⁻¹로 삼각 WS₂ 결정립 단일층 물질. 그림 4b 최강 발광 피크 626 nm 위치, 대응 밴드갭 1.98 eV, 단일층 WS₂ 밴드갭 폭 일치. 2D 물질 PL 강도 결정 품질, 층수 관련. 2D 물질 결함 적고 층수 적을수록 발광 강도 높음, 결정 품질 우수 지시[35]. 가변 파워 특성화 nW 수준 수행 레이저 조사 샘플 손상 방지. 그림 4c 관찰 시 여기 파워 증가 시 E²g₁ 평면 진동 모드 피크 위치 기본적 불변, A₁g 층간 진동 모드 단파수 방향 이동. A₁g 진동 모드 전자 농도 큰 관계, 전자 농도 증가 밴드갭 재형성 유도. 그림 4d WS₂ PL 스펙트럼 강도 레이저 파워 증가 따라 증가, 형광 소멸 현상 존재, 밴드갭 재형성, 이종구조 층간 상호작용 기인. 동시에 레이저 파워 증가 따라 물질 국소 온도 거의 변하지 않음. WS₂ 원자층 나노물질 때문.
WS₂ 스펙트럼 특성화. a 다른 위치 라만 스펙트럼, b 다른 위치 PL 스펙트럼, c 파워 라만 스펙트럼, d 파워 PL 스펙트럼
그래핀 물질 층수 특성화, 품질 정보 라만 분광법 획득. 그림 5a 그래핀 다른 위치 라만 회절 스펙트럼 D 피크, G 피크, 2D 피크 세 주요 특성 피크 각각 1330 cm⁻¹, 1583 cm⁻¹, 2674 cm⁻¹ 위치. D 피크 그래핀 격자 구조 무질서 관련, 그래핀 물질 격자 결함 많을 때 D 피크 위치 청색편이, 결정 결함, 불순물 함량 반영. 2D 피크 2포논 2차 공진 라만 피크, 그래핀 물질 탄소 원자 배열 지시. G 피크 제1 브릴루앵존 중심 E₂g 모드 기인, 피크 높이 그래핀 층수 거의 선형 증가, G 피크 강도 그래핀 도핑 일정 정도 관련. 2D 피크, G 피크 상대 비율 그래핀 층수 대략 판단, D 피크/G 피크 비율 결함 밀도 증가 시 감소. MoS₂(또는 WS₂) 물질 성장 완료 시 그래핀 라만 스펙트럼 약한 D 피크 출현, 그래핀 도메인 여전히 고품질 유지 지시. 노출 그래핀 영역 2D 피크 강도 약화, 고온 성장 공정 영향. 그래핀 2D 피크 최대반폭(FWHM) 층수 증가 따라 점진적 증가, 2D 피크 위치 청색편이, 그래핀 물질 에너지 밴드 관계 관련 가능. 전자 에너지 밴드 구조 층수 증가 따라 분열, 다양한 포논 공진 산란 과정 발생. 엑시톤 피크 더 많은 에너지 흡수 여기, 2D 피크 위치 청색편이 유도. C점, E점 G 피크 강도 2D 피크 강도 유의하게 높음. I₂D/I_G 비율 두께 증가 따라 감소, 본 실험 전사 그래핀 완벽 균일 아니나 허용 범위 내. 그림 5b 단일층 그래핀 파워 라만 스펙트럼. 그래핀 G, 2D 피크 강도 레이저 파워, 온도 증가 따라 점진적 증가, 피크 위치, FWHM 기본적 변화 없음. G 피크, 2D 피크 각각 1581 cm⁻¹, 2672 cm⁻¹ 위치, 두 특성 피크 강도 큰 차이. 그래핀 하부 SiO₂ 상호작용 변화로 특성 피크 비율 I₂D/I_G 감소. 동시에 라만 스펙트럼 D 결함 피크 없음, 선택 그래핀 영역 고품질, 탄소 원자 고도 질서 지시.
그래핀 스펙트럼 특성화. a 다른 위치 라만 스펙트럼, b 파워 라만 스펙트럼
라만 분광법 그래핀/WS₂ 이종구조 물질 특성화 분석, 300 cm⁻¹ ≤ ω ≤ 500 cm⁻¹, 1400 cm⁻¹ ≤ ω ≤ 3000 cm⁻¹ 두 스펙트럼 영역, 로렌츠 함수 피팅. 300 cm⁻¹ ≤ ω ≤ 500 cm⁻¹ 영역 WS₂ E²g₁, A₁g 모드 특성 피크. E²g₁ 포논 모드 황, 텅스텐 원자 평면내 변위, A₁g 포논 모드 황 원자 평면외 변위, 상기 포논 모드 위치, 간격 층수 따라 변화. 1400 cm⁻¹ ≤ ω ≤ 3000 cm⁻¹ 영역 그래핀 G, 2D 피크 출현, 특성 피크 강도 비율, 피크 위치 따라 그래핀 층수, 결정 품질 정보 획득.
두 다른 다비도프 분할 피크 주파수 차이 vdWs 이종구조 상호작용 크기 반영. 따라서 다층 2D 물질 층내 진동 포논 모드 주파수 층간 결합, 층수 의존. 그림 6a 532 nm 레이저 하 그래핀/WS₂ 이종구조 다른 지점 라만 스펙트럼 시험 특성화. E²g₁ 특성 피크 강도 A₁g 특성 피크 강도보다 높음, E²g₁, A₁g 특성 피크 각각 349.3 cm⁻¹, 417.1 cm⁻¹ 위치. 그래핀/WS₂ 이종구조 라만 스펙트럼 2D, G 피크 각각 1591.5 cm⁻¹, 2680.9 cm⁻¹, 순수 그래핀 대비 2D, G 피크 위치 상승, WS₂ 나노시트 효과적 층간 결합, CVD 성장 고온 가열 생성 변형 효과 관련 가능. 그래핀/WS₂ 이종구조 물질 라만 스펙트럼 개별 분리 WS₂, 그래핀 스펙트럼 합일 뿐, vdWs 이종접합 계면 형성 확인. PL 스펙트럼 강도 결정 품질, 층수 관련. 라만 분광법 이종구조 형성 진동 모드 영향 초점, TMDs 이종구조 물질 전자 밴드 구조 주로 PL 스펙트럼 획득. 그림 6b 그래핀/WS₂ 이종구조 다른 지점 PL 스펙트럼. 최강 발광 피크 624 nm 위치, 대응 밴드갭 1.99 eV, 단일층 WS₂ 밴드갭 폭 일치. 그래핀/WS₂ 이종구조 다른 위치 PL 스펙트럼 강도, 모양 다름, 결정 품질 매우 좋지 않음. 이종구조 제조 공정 추가 개선 필요. 그래핀/WS₂ 이종구조 PL 스펙트럼 강도 WS₂보다 약함. 그래핀/WS₂ 이종구조 층간 결합 엑시톤 형광 변화, 전자-정공 쌍 분리, 형광 감소 유도. 동시에 그래핀/WS₂ 이종구조 형성 시 피크 위치 이동, 전하 이동 페르미 면 이동 유도, 자유 엑시톤 하전 엑시톤 변화 유발. 그림 6c 그래핀/WS₂ 이종구조 파워 라만 스펙트럼. 평면내 포논 모드 E²g₁ 특성 피크, 평면외 포논 모드 A₁g 특성 피크 각각 356 cm⁻¹, 418 cm⁻¹, 상기 특성 피크 레이저 파워 증가 따라 증가. 단일 결정 내 특성 피크 위치, 모양 균일, 그래핀/SiO₂/Si 기판 위 WS₂ 전자 특성 균일. A₁g, E²g₁ 특성 피크 주파수 차이 WS₂ 시트 두께 결정, 평균 거리 62 ± 0.2 cm⁻¹, 단일층 WS₂ 두께 일치. 고유 그래핀 대비 그래핀/WS₂ 이종구조 G 피크, 2D 피크 위치 1578.7 cm⁻¹, 2685.8 cm⁻¹서 1582.2 cm⁻¹, 2689.5 cm⁻¹ 변화. 또한 레이저 파워 증가 따라 G 피크 강도 2D 피크 강도보다 강해짐, I₂D/I_G 비율 감소, 그래핀 SiO₂/Si 기판 상호작용 변화 기인[36, 37]. 그림 6d 관찰 시 그래핀/WS₂ 이종구조 PL 강도 레이저 파워 증가 따라 증가, PL 스펙트럼 FWHM 증가, PL 스펙트럼 모양 변화. 이유 이종구조 주변 시험 온도 증가, 그래핀/WS₂ 이종접합 계면 강한 층간 결합 존재.
그래핀/WS₂ 이종구조 스펙트럼 특성화. a 다른 위치 라만 스펙트럼; b 다른 위치 PL 스펙트럼; c 파워 라만 스펙트럼; d 파워 PL 스펙트럼
그래핀/WS₂ 이종구조 라만 스펙트럼 노출 그래핀 영역과 유의한 차이(그림 7a). 첫째 파수 증가 따라 스펙트럼 배경 상승, 배경 WS₂ PL 스펙트럼 기원, 그래핀/WS₂ 이종구조 존재 확인. 다음 WS₂ 물질 그래핀 2D 특성 피크 강도 억제. 마지막으로 그래핀/WS₂ 이종구조 G 피크, 2D 피크 모두 순수 그래핀 물질 스펙트럼 대비 상향 이동. 그래핀, WS₂ 층간 결합으로 2D 피크 상향 이동, 기계적 변형도 그래핀 라만 이동 영향. 증진 인자(EF) 그래핀/WS₂ 이종구조 최대 피크 강도/그래핀 최대 피크 강도 비율. G 피크 최대 강도 460→830, 2D 피크 최대 강도 340→1460, 대응 EF 각각 1.8, 4.3. 그래핀/TMDs 이종구조 형성 시 D 피크 신호 유의적 증진. 따라서 단일층 그래핀 I_D/I_G 비율 그래핀/WS₂ 이종구조보다 약함. WS₂ 그래핀 압출 그래핀 구조 영향, 소수 결함 출현 결과. 그림 7b 그래핀/WS₂ 이종구조 PL 강도 순수 그래핀보다 높음, 효과적 층간 결합, 변형 효과 관련 가능. 동시에 PL 스펙트럼 최대 강도 270→1410 증가, 대응 EF 5.23. 특성 피크 강도 증진 이종구조 결합 기인.
a 라만 스펙트럼, b WS₂ 성장 전후 그래핀 PL 스펙트럼 특성 비교
라만 분광법 2D 물질 결정 품질, 필름 두께 평가 가능. WS₂, 그래핀/WS₂ 이종구조 라만 스펙트럼 비교 그림 8a. WS₂ 라만 스펙트럼 대비 그래핀/WS₂ 이종구조 A₁g 모드 특성 피크 위치 청색편이, E²g₁, A₁g 모드 특성 피크 강도 WS₂보다 높음, 그래핀/WS₂ 이종구조 필름 우수 결정성. 두 물질 적층 이종구조 형성 시 층간 결합 강화, 층간 상호작용 힘 생성 때문. 최대 E²g₁, A₁g 특성 피크 강도 3400, 1100→6500, 2950 증가, 증진 인자(EF) 각각 1.9, 2.7. 추가 단일층 WS₂, 다층 WS₂ 각각 직접, 간접 밴드갭 반도체. PL 분광법 WS₂ 샘플 층수 식별 가능. 그림 8b 두 물질 최강 PL 방출 ~626 nm, 밴드갭 약 1.98 eV, 기계적 박리 단일층 WS₂ 밴드갭 일치. 그래핀/WS₂ 이종구조 PL 강도 단일층 WS₂보다 강함. 이유: 첫째 그래핀, WS₂ 일함수 불일치. 둘째 내부 전기장 형성. 셋째 WS₂ 광전자 그래핀 전이. 넷째 WS₂ 물질 정공 유지. 최강 피크 최대 강도 7450→19,320 증가, PL 스펙트럼 EF 2.6. 피크 강도 증가 그래핀, WS₂ 물질 결합 기인.
a 라만 스펙트럼, b WS₂, 그래핀/WS₂ 이종구조 PL 스펙트럼 특성 비교
SiO₂/Si 기판 그래핀/MoS₂ 이종구조 광학현미경 사진 그림 9a. 그래핀 SiO₂/Si 기판 전사 색상 원본과 큰 차이 없음. 일부 영역 소수 입자 외 표면 상대적 깨끗. 결과들 그래핀 필름 균일, 완전 형성 지시. MoS₂ 박막 그래핀/SiO₂/Si 기판 덮음, 결정립 경계 가로지르는 연속적 그래핀 박막 연결 가능. 제조 그래핀/MoS₂ 이종구조 연속적, 온전, 샘플 표면 상대적 깨끗, 양호 표면 균일성. 국소 형광 강도 분포 불균일 다수 결함 시. 그림 9b 삼각 단일층 MoS₂ 필름 평면내 형광 강도 분포. 샘플 결정 격자 결함 적음. 그림 9c, d AFM 물질 표면 상태 관찰, 물질 가장자리, 그래핀/SiO₂/Si 기판 높이 차이 측정 물질 두께 판단, 단일층 MoS₂ 물질 두께 약 0.81 nm. SEM 시험 결과 MoS₂ 필름 샘플 형태 삼각 플레이크(그림 9e). 그림 9f 관찰 시 몰리브덴, 황, 탄소 원소 EDX 스펙트럼 균일 분포, 그래핀/MoS₂ 이종구조 성공적 제조 확인.
a 광학현미경, b 매핑 이미지, c AFM 이미지, d 높이 프로파일 이미지, e FE-SEM 이미지, f SiO₂/Si 기판 그래핀/MoS₂ 이종구조 EDX 스펙트럼
층간 상호작용 필름 두께 감소 따라 약화. A₁g 모드 특성 피크 적색편이, E²g₁ 모드 특성 피크 청색편이. 결과 A₁g, E²g₁ 진동 모드 주파수 거리 감소, 2D 물질 두께 식별 활용. 그림 10a MoS₂ 다른 위치 라만 스펙트럼. E²g₁, A₁g 모드 특성 피크 각각 381.2 cm⁻¹, 400.5 cm⁻¹, 피크 간격 19.3 cm⁻¹ 단일층 MoS₂ 존재 지시. 층간 반데르발스 힘으로 인접 원자 층간 동일/반대 방향 진동 주파수 미세 차이. PL 스펙트럼 MoS₂ 필름 발광 특성 획득(그림 10b). 단일층 MoS₂ 발광 강도 다층보다 훨씬 큼, MoS₂ 물질 층수 다층→단일층 변화 시 전자 밴드 구조 간접→직접 밴드갭 변화. 따라서 단일층 MoS₂ 강한 방출 피크만 존재. 추가 최강 PL 피크 678.5 nm, 대응 직접 밴드갭 1.83 eV, 기계적 박리 MoS₂ 필름 밴드갭 값 근접. 그림 10c 관찰 시 라만 스펙트럼 특성 피크 강도 레이저 파워 증가 따라 증가, E²g₁, A₁g 모드 특성 피크 위치 청색편이. 라만 피크 라인 온도, 레이저 파워 증가 따라 일정 주파수 이동 때문. 그림 10d MoS₂ 파워 PL 스펙트럼, 발광 강도 레이저 파워 증가 따라 증가, 최강 PL 피크 위치 청색편이.
MoS₂ 스펙트럼 특성 특성화. a 다른 위치 라만 스펙트럼, b 다른 위치 PL 스펙트럼, c 파워 라만 스펙트럼, d 파워 PL 스펙트럼
단일층 2D 물질 고주파 층 진동 포논 모드 N층 2D 물질 N 대응 고주파 모드 분할, 다비도프 분열 유도. 그림 11a 그래핀/MoS₂ 이종구조 라만 스펙트럼, 그래핀 G, 2D 피크, MoS₂ E²g₁, A₁g 피크 출현, 층상 그래핀/MoS₂ 이종구조 물질 형성 지시. MoS₂ E²g₁, A₁g 라만 특성 피크 각각 375.5 cm⁻¹, 394.4 cm⁻¹ 위치, 피크 간격 18.9 cm⁻¹. 고유 그래핀 대비 그래핀/MoS₂ 이종구조 G 피크, 2D 피크 위치 큰 파수 방향 이동, G 피크, 2D 피크 1581, 2672 cm⁻¹→1587, 2674 cm⁻¹ 이동. 추가 G 피크 강도 2D 피크 강도보다 강함. 2D, G 피크 위치 상승 효과적 층간 결합, 변형 효과 관련. MoS₂ 물질 라만 스펙트럼 대비 그래핀/MoS₂ 이종구조 물질 스펙트럼 층간 원자 상호작용 강화로 유의적 이동, 피크 강도 유의적 증진. 그림 11b 그래핀/MoS₂ 이종구조 621 nm, 683 nm 두 흡수 피크, 대응 밴드갭 파장-전자볼트 변환 관계 따라 1.99 eV, 1.82 eV. 그래핀/MoS₂ 이종구조 발광 강도 고유 MoS₂보다 낮음. 현상 이유: 그래핀 물질 MoS₂ 물질 형광 약화 효과, 층간 결합 전자 에너지 밴드, 전자 분포 변화, PL, 라만 스펙트럼 크게 변화.
그래핀/MoS₂ 이종구조 스펙트럼 특성. a 다른 위치 라만 스펙트럼, b 다른 위치 PL 스펙트럼, c 파워 라만 스펙트럼, d 파워 PL 스펙트럼
그림 11c 그래핀/MoS₂ 이종구조 파워 라만 스펙트럼, G, 2D, E²g₁, A₁g 라만 피크 강도 레이저 파워 증가 따라 증가. E²g₁, A₁g 피크 위치 차이 MoS₂ 물질 층수 증가 따라 점진적 증진. E²g₁, A₁g 특성 피크 위치 377.2 cm⁻¹, 396.7 cm⁻¹, 피크 위치 차이 19.5 cm⁻¹ MoS₂ 물질 단일층 판단 가능. 동시에 그래핀 G, 2D 피크 각각 적색편이, 청색편이. 그래핀 물질 MoS₂ 도핑 때문. 그림 11d 관찰 시 그래핀/MoS₂ 이종구조 두 PL 피크 존재. 이 PL 피크 A, B 엑시톤 화합물 전이 대응, 직접 밴드갭 엑시톤 재결합 대응 발광 1.84 eV, 간접 밴드갭 엑시톤 재결합 대응 피크 2.0 eV. 최강 피크 발광 강도 레이저 파워 증가 따라 증가, 최강 PL 스펙트럼 피크 위치 적색편이. 그래핀 p형 전도성, 그래핀, MoS₂ 물질 적층 시 밴드 구조 변화 때문. 추가 계면 에너지 밴드 배열 전자 풍부 MoS₂ 전자 p형 그래핀 물질 전이 허용.
WS₂, MoS₂를 TMDs 물질로 사용한 그래핀/TMDs 기반 이종구조 APCVD로 그래핀 필름 위 직접 성장 성공적 합성. 이종구조 형태, 스펙트럼 특성, 발광 법칙 AFM, SEM, EDX, 라만, PL 분광법 획득, 이종구조 우수 광감도 나타냄. 고유 그래핀 물질 대비 그래핀/TMDs 이종구조 G, 2D 피크 위치 청색편이, 레이저 파워 증가 따라 G 피크 강도 2D 피크 강도보다 강해짐, I₂D/I_G 비율 감소. 내부 전기장 존재로 그래핀/TMDs 이종구조 계면 광생성 전자-정공 쌍 효과적 분리, 광응답 크게 개선 가능. 본 연구 대면적, 고품질 이종구조 제조 공정 개선 효과적 가이드, 그래핀/TMDs 이종구조 광전자 소자 분야 응용 길 열 수 있음.
본 원고 결론 지지 실험 데이터 본 원고에 제시됨.
나노물질
경량화는 환경적 및/또는 경제적 이유로 부품의 무게를 줄이는 공정입니다. 엔지니어는 부품을 속을 파내거나, 설계에 격자 구조를 사용하거나, 위상 최적화를 활용해 설계 단계에서 불필요한 소재를 제거함으로써 경량 부품을 달성합니다. 경량화의 또 다른 효과적인 방법은 중요한 기계적 요구 사항을 충족하는 더 가벼운 소재로 무거운 소재를 대체하는 것입니다. 더 가벼운 부품은 환경에 부담을 덜 주고, 더 비용 효율적이며, 연료 효율이 높고, 종종 제품 팀에 더 많은 소재 옵션을 제공합니다. 경량화는 자동차, 항공우주, 건설 산업에서 매우 인
연마(Polishing)는 기계적, 화학적, 전기화학적 효과로 공작물 표면 조도를 낮춰 매끄러운 표면 얻는 공정입니다. 연마는 부품 표면 마감 공정. 주 목적은 이전 공정 가공 흔적(칼자국, 스크래치, 피트, 날카로운 모서리, 버 등) 제거, 부품 표면 조도 개선, 밝고 매끄러운 표면 확보, 심미성 향상. 하지만 연마로 제품 치수 정밀도와 위치 정밀도 개선 불가. 연마 시 제거 소재량 매우 적음, 보통 마이크로미터 단위. 연마 공정 전 연마 대상 공작물 표면 품질 고품질이어야 하므로 연마 전 공정 보통 연삭(Grinding) 표면
