한국표준과학연구원(KRISS)은 양자기술연구소 연구팀이 첨단소재인 2차원 반도체성 전이금속 디칼코게나이드(SC-TMD) 화합물의 양자전기물성을 측정하는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

이황화텅스텐, 이황화몰리브덴 등으로 대표되는 SC-TMD 물질은 꿈의 신소재로 불리는 그래핀과 유사한 2차원 물질이다. 그래핀의 장점인 우수한 물리화학적 특징은 물론, 반도체의 특성까지 가지고 있어 산업 응용 가능성이 높은 것이 장점이다.

하지만 아직까지 SC-TMD 물질 자체가 가진 물리적 성질에 대한 비밀이 풀리지 않았다. SC-TMD 물질 내부에 존재하는 `원자결함`은 물질의 도핑 정도를 조절하고 `P형`, `N형`과 같은 반도체 특성을 결정짓는 요소인 동시에 전자 이동도를 억제하는 등 성능을 저해하는 원인으로도 작용한다.

그동안 원자결함은 그동안 투과전자현미경(TEM) 등 시각화 장비로 관찰하는 데 그쳐왔다. 이미지만으로는 물질의 구조와 연관된 물성값을 제시할 수 없어 대부분 이론적 예측에만 의존했고, 이마저도 변수 설정에 따라 결과가 크게 달라질 수 있어 값을 완벽히 신뢰하기 어려웠다.

연구팀은 육각질화붕소 박막·흑연·그래핀·SC-TMD 등의 2차원 물질이 적층된 수직이종접합 구조를 제작, 전자터널링분광법을 이용해 SC-TMD에 대한 양자전기물성을 정확하게 측정했다. 그 결과 밴드갭과 엑시톤 등 SC-TMD의 고유 물성값은 물론 원자결함상태의 기원과 영향력까지 규명하는 데 성공했다.

정수용 책임연구원은 "이번 기술은 반도체의 성능 향상뿐만 아니라 양자컴퓨터, 스핀트로닉스와 같은 미래 기술의 기반으로도 응용할 수 있다"고 말했다.

연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다.주재현 기자

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