성균관대학교(총장 유지범) 에너지과학과 김기강 교수 연구팀은 단결정 2차원 소재 대면적 성장 기술의 핵심인 단결정 성장 기판 플랫폼 개발과 그 메커니즘을 규명하였다고 21일 밝혔다.

2차원 소재는 원자층 두께로 세상에서 가장 얇은 물질이다. 2차원 소재는 구성된 원소에 따라 금속, 반도체, 부도체와 같이 다양한 특성을 구현할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 2차원 소재는 차세대 실리콘 기반 반도체 산업을 대체할 신소재로 주목받고 있으며, 마이크로 규모에서 그 유망함이 입증되어 왔다. 그러나 해당 소재가 산업에 사용되기 위해서는 단결정 2차원 소재의 대면적 박막 합성이 필수적이다. 최근 많은 단결정 단층 2차원 소재 박막이 단결정 기판 위에서 성장되었으나 단결정 기판 제작을 위해서는 장시간의 열처리 공정이 요구된다.

연구진은 단결정 기판 제작 방법 중 간단하고 효율적인 방법으로 다결정 촉매 금속 포일을 다결정 텅스텐 지지 기판 위에 녹인 후 냉각시키는 방법을 제안했다. 연구팀은 이 과정에서 촉매 금속의 결정 방향이 한 방향으로 정렬되어 단결정 금속 기판 표면이 형성되는 것을 발견하였으며 그 형성 원리를 규명하기 위해 추가 연구를 진행했다.

연구팀은 촉매 금속의 두께가 두꺼울수록 텅스텐 면의 높은 에너지를 갖는 입자에서 낮은 에너지 방향으로 확장되어 응고됨으로써 단결정 원자톱니 금속 표면이 형성되는 것을 분자동역학 시뮬레이션 기반의 이론 계산 연구와 실험적으로 증명했다.

분자동역학은 뉴튼의 운동방정식을 원자, 유사 분자 모델 수준에서 수치적으로 푸는 방법이다.

연구진은 나아가 단결정 원자톱니 구리 표면 위에 육방정계 질화붕소 박막을 성장시켰을 때 박막이 한 방향으로 정렬되어 단결정 박막이 성장되는 것을 확인했으며, 이렇게 성장한 박막의 우수한 산화 방지막 특성을 함께 보고했다.

김기강 교수는 “이번 융해-응고 공정과 그 기반 단결정 원자톱니 기판에 대한 메커니즘 규명은 단결정 박막 소재 성장을 위한 핵심 연구가 될 것”이라며 “2차원 소재 기반 차세대 전자소자 분야에 응용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

연구진은 다양한 단결정 2차원 소재의 대면적 성장과 그 기반 적층 구조에서 발현되는 새로운 현상 및 차세대 소자 응용을 기대하며 후속 연구를 진행할 계획이다.

연구팀의 이번 연구결과는 한국연구재단과 기초과학기술연구원, 선진신진기술연구원, 중국국가자연과학기금위원회의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 7월 12일 게재됐다.