성균관대 이영희 교수 "자연에 존재하지 않는 화합물 합성 가능"

성균관대학교(총장 정규상)는 기초과학연구원 나노구조물리 연구단(단장 이영희)이 화학기상증착법(chemical Vapor Deposition: CVD)으로 합성된 단일층 이황화몰리브데늄(MoS2)의 황(S)을 텔루륨(Te)으로 치환해 이텔루륨화몰리브데늄(MoTe2)으로 바꾸는 방법을 개발하는데 성공했다고 19일 밝혔다. 이러한 치환반응을 일으키기 위해서는 고온에서 반응이 필요한데 텔루륨화전이금속들은 열안정성이 낮아 MoS2를 MoTe2로 치환하려는 경우 MoTe2 물질이 불안해지는 문제점이 발생한다. 치환 후 생성물인 MoTe2는 700도 부근에서 열적으로 불안정하여 기화하는데, 어려운 점은 치환반응이 700도 미만에서는 일어나지 않는 것이다. 연구팀은 이러한 문제해결을 위해 텔루륨화 촉매인 텔루륨화나트륨(Na2Te)을 도입하여 낮은 온도(700도 미만)에서도 치환반응이 일어나 안정한 상의 MoTe2를 얻을 수 있었다. 연구팀은 텔루륨화 치환반응이 MoS2 결정의 가장자리부터 우선적으로 일어나는 것을 확인했고 이러한 현상을 이용하여 이종반도체 접합(MoS2-MoTe2)을 만들 수 있었다. 실험조건을 조절하여 다양한 상 (MoS2-xTex 합금, 반도체성 2H-MoTe2, 금속성 1T'-MoTe2)를 얻을 수 있었다. 또한 MoS2-xTex 합금의 조성을 조절하여 그것의 밴드갭(Band gap)도 제어 가능함을 보였다. 이번 연구를 이끈 이영희 단장은 "실제 불안정한 화학물이라도 이런 치환방법을 이용하면 합성이 가능해, 자연에 존재하지 않는 화합물도 합성이 가능할 것"이라고 예측했다. 연구팀이 개발한 텔루륨화 촉매를 이용한 치환방법은 (MoS2) 뿐만 아니라 다른 전이금속류인 이황화텅스텐(WS2)에도 적용 가능해 향후 단일층 텔루륨화전이금속의 합성 기반기술로 활용될 것으로 예상된다. 이번 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 12.124)에 지난 18일 게재됐다. 과학계는 거대자기저항, 상변화, 베일 반금속(Weyl semimetal), 양자스핀홀준위(Quantum spin hall state) 등 양자역학 이후 발견된 현상을 이용해 차세대 미래소자 구현 연구에 집중해오고 있다. 특히 전이금속 다이찰코지나이드 물질군 중 하나인 텔루륨전이금속군은 상변화, 거대자기저항, 베일 반금속 특성이 최근에 발견돼 이에 대한 연구가 급속히 진행되고 있지만, 금속성과 반도체성의 상을 제어하며 단일층 텔루륨화전이금속 물질을 합성하는데 어려움이 있었다.