Hypotaxy for fabrication of single crystal 2D materials and their moiré structures = 2차원 물질의 단결정 합성 및 무아레 구조 제작을 위한 하이포택시 성장법

국문 초록 (Abstract)

이차원(2D) 반도체 재료, 특히 전이금속 칼코게나이드(TMDs)는 차세대 전자소자를 위한 핵심 후보군으로 주목받고 있다. 이러한 재료는 원자 수준의 얇은 두께와 우수한 결정성을 동시에 갖추고 있어, 탁월한 정전기적 제어, 기계적 유연성, 기존 반도체 플랫폼과의 높은 호환성을 제공한다. 또한, 층수에 따른 밴드갭 조절, 높은 온/오프 비율, 단일칩 3차원 집적(M3D)과의 높은 적합성을 통해 향후 로직 및 메모리 소자의 핵심 빌딩 블록으로서의 가능성을 보여주고 있다.
그럼에도 불구하고, 웨이퍼 스케일의 단결정 TMD 박막을 안정적으로 합성하는 것은 여전히 근본적인 기술적 병목으로 남아있다. 기존의 화학 기상 증착(CVD) 기반 기술은 대면적 공정에는 적합하지만, 핵 생성의 불균일성, 결정립의 비정렬 및 다결정화 등의 문제로 인해 소자 성능 저하 및 재현성 확보에 한계가 있었다. 특히, 이종 적층 구조나 트위스트 양자 구조와 같이 정밀한 결정 방향과 층간 정렬이 필수적인 구조에서는 이러한 문제가 더욱 두드러진다. 이에 따라, 기존의 한계를 극복할 수 있는 혁신적인 합성 전략의 개발이 요구되고 있다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘하이포택시(hypotaxy)’라 명명한 새로운 합성 기법을 제안한다. 하이포택시는 상부의 2D 템플릿을 이용하여 하방향으로 결정 성장을 유도하는 방식으로, 증착된 전이금속 박막을 템플릿 아래에서 칼코겐화하여 결정이 정렬된 TMD로 전환시키고, 이후 템플릿을 제거함으로써 단결정 박막을 구현한다. 이 방법은 비정질 또는 격자 부정합 기판을 포함한 다양한 기판 위에서도 고품질 TMD 박막을 직접 성장시킬 수 있으며, 단일층부터 수백 층에 이르는 박막 두께를 정밀하게 제어할 수 있다. 본 연구에서는 최대 4인치 규모의 단결정 MoS2 박막 합성에 성공하였으며, 이 박막은 약 120 W·m-1·K-1의 높은 열전도도와 약 87 cm2·V-1·s-1의 높은 캐리어 이동도를 갖는 우수한 반도체 특성을 나타낸다. 또한, 산소 플라즈마 처리를 통해 그래핀 템플릿에 나노기공을 도입함으로써 성장 온도를 400 °C까지 낮추는 데 성공하였고, 이는 후공정(BEOL)과의 높은 호환성을 의미한다. 본 기술의 범용성은 MoSe2, WS2, WSe2 등 다양한 TMD 시스템에서 확인되었으며, 이는 하이포택시 기법이 고도로 확장 가능한 합성 전략임을 시사한다.
둘째로, 하이포택시의 높은 확장성을 활용하여 기존에는 대면적 고품질 합성이 어려웠던 복합 산화물, 강유전성 및 반강자성 물질, 비층상 결정 등 다양한 소재군의 합성도 성공하였다. 이러한 결과는 하이포택시가 단순히 TMD와 같은 층상 반도체에 국한되지 않고, 광범위한 기술적으로 중요한 소재군에도 적용 가능한 근본적으로 범용적인 합성 플랫폼임을 입증한다. 다양한 소재군에서 높은 정렬도를 유지한 박막 합성이 가능함을 통해, 하이포택시는 차세대 전자 및 양자 소자에 기능성 재료를 대면적으로 통합하는 데 있어 핵심적인 기반 기술로 작용할 수 있음을 보여준다.
마지막으로, 본 연구에서는 하이포택시 기술을 활용한 대면적 2D 무아레 초격자 구조의 직접 합성이 가능함을 확인하였다. 이는 기존의 기계적 적층 방식에서 발생하는 면적 한계, 층간 정렬 불량, 광학적 반응의 불균일성과 같은 한계를 근본적으로 극복한 결과이다. 하이포택시의 고유한 메커니즘은 기판의 결정성이나 조성에 관계없이 특정 층을 정렬시킬 수 있으며, 이를 통해 물질 조합, 층간 트위스트 각도, 박막 두께를 원자 수준에서 정밀하게 제어할 수 있다. 물리적 적층 없이 직접 합성만으로 제작된 대면적 TMD 무아레 구조는 향상된 층간 상호작용을 기반으로, 샘플 전체에 걸쳐 일관되고 재현성 높은 양자 및 광학 특성을 나타내며, 이는 기존 방식에서 자주 발생했던 위치 의존적 물성의 불균일성 문제를 해결한 것으로, 무아레 양자 재료의 대면적 합성과 정밀한 대칭성, 주기성, 전자 구조 제어의 실현 가능성을 제시한다.
이러한 일련의 연구들은 하이포택시 접근법의 범용성과 결정 및 계면 정렬의 원자 수준 제어 능력을 부각시키며, 결정 방향, 조성, 인터페이스 결합 등을 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 물질 성장 플랫폼으로서의 가능성을 보여준다. 하이포택시는 고품질의 2D 반도체 및 이종 구조의 집적을 가능케 함으로써, 차세대 전자 및 광전자 기술을 위한 재료 성장의 새로운 패러다임을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Two-dimensional (2D) semiconducting materials, particularly transition metal dichalcogenides (TMDs), have garnered significant attention as candidates for next-generation electronics. These materials uniquely combine atomically thin geometries with excellent crystalline quality, enabling superior electrostatic control, mechanical flexibility, and seamless integration with existing semiconductor platforms. Their inherent properties such as layer-dependent bandgaps, high on/off ratios, and compatibility with monolithic 3D (M3D) integration position them as promising building blocks for future logic and memory devices.
Despite extensive interest, the scalable synthesis of wafer-scale single-crystal TMD films remains a fundamental bottleneck. Conventional chemical vapor deposition (CVD) techniques, while scalable, often suffer from uncontrolled nucleation, misaligned grains, and polycrystallinity, which degrade device performance and hinder reproducibility. These limitations are further exacerbated when attempting to construct layered heterostructures or twisted bilayers, where precise control over crystal orientation and interlayer alignment is essential. Therefore, the development of an innovative synthesis strategy is essential to overcome these challenges.
First, we present a novel synthesis approach for achieving wafer-scale single-crystalline transition metal dichalcogenides (TMDs) through a process termed hypotaxy, a downward-oriented epitaxial growth facilitated by an overlying two-dimensional (2D) template. This method enables the direct fabrication of high-quality semiconducting TMD layers on a broad range of substrates, including amorphous and lattice-incompatible surfaces, by converting pre-deposited transition metal films into aligned TMDs via chalcogenization beneath a guiding 2D overlayer such as graphene. The resulting nuclei seamlessly merge into a continuous single-crystal film as the template is removed. Notably, this process allows for precise control of MoS2 thickness from monolayer to bulk-scale (hundreds of layers) and yields large-area single-crystalline films (up to 4-inch scale) with excellent semiconducting properties, including high thermal conductivity (~120 Wm-1K-1) and carrier mobility (~87 cm2V-1s-1). Additionally, by introducing nanopores in the graphene template via oxygen plasma treatment, the growth temperature can be lowered to 400 °C, compatible with back-end-of-line (BEOL) processing. The generality of the hypotaxy technique is demonstrated across multiple TMD systems, such as MoSe2, WS2, and WSe2, highlighting its versatility and scalability.
Second, by leveraging the inherent versatility of the hypotaxial growth technique, we demonstrate the successful large-scale synthesis of a wide range of materials that have traditionally posed significant challenges for high-quality large-area fabrication. These include complex oxides, ferroelectric, antiferromagnetic materials, and even non-layered systems. This capability highlights hypotaxy as a fundamentally universal synthesis platform, not limited to well-known layered semiconductors like TMDs, but extendable to a broad spectrum of technologically relevant materials. The ability to produce highly aligned films across diverse material classes underscores hypotaxy’s transformative potential as a foundational method for scalable integration of functional materials into next-generation electronic and quantum devices.
Finally, we demonstrate the fabrication of large-scale 2D moiré superlattices using the hypotaxy technique, overcoming the long-standing limitations of conventional mechanical stacking methods, such as restricted area, poor interlayer alignment, and inhomogeneous optical response. By exploiting the intrinsic mechanism of hypotaxy, which allows directional alignment of specific layers regardless of the crystallinity or composition of the underlying material, we achieve deterministic control over interlayer twist angles, material combinations, and layer thickness, all through direct synthesis. This approach enables the formation of large-area, precisely twisted moiré structures with enhanced interlayer interactions at the atomic scale, without the need for physical transfer or stacking. Compared to conventional methods where optical and quantum properties vary significantly across the sample due to local inhomogeneity, our hypotaxially grown TMD moiré superlattices exhibit uniform and reproducible quantum and optical responses across centimeter-scale regions. These results mark a significant step toward scalable, deterministic synthesis of moiré quantum materials with controlled symmetry, periodicity, and electronic structure.
These studies collectively highlight the universal applicability of the hypotaxy approach and its unique capability to engineer the interlayer interactions at the atomic scale. By enabling deterministic control over crystalline orientation, composition, and interface coupling, this method establishes a powerful and generalizable platform for the scalable synthesis of next-generation materials. Hypotaxy opens new avenues for integrating high-quality 2D semiconductors and heterostructures into a wide range of electronic and optoelectronic technologies, offering a transformative paradigm for materials growth across the semiconductor industry and beyond.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Background 5
• 2.1. Properties of Transition Metal Dichalcogenides 5
• 2.2. Growth Methods of Transition Metal Dichalcogenides 9
• 2.2.1 Chemical Vapor Deposition 9
• 2.2.2 Physical Vapor Deposition 12
• 2.2.3 Metal Organic Chemical Vapor Deposition 14
• Chapter 3. Hypotaxy of Wafer-scale Single Crystal Transition Metal Dichalcogenides 16
• 3.1. Introduction 16
• 3.2. Experimental Procedures 18
• 3.3. Results and Discussion 26
• 3.4. Conclusion 118
• Chapter 4. Versatility of Hypotaxy 119
• 4.1. Introduction 119
• 4.2. Experimental Procedures 121
• 4.3. Results and Discussion 124
• 4.4. Conclusion 138
• Chapter 5. Large-scale Fabrication of 2D Materials-based Moiré Structures via Hypotaxy Twisting 139
• 5.1. Introduction 139
• 5.2. Experimental Procedures 141
• 5.3. Results and Discussion 145
• 5.4. Conclusion 194
• Chapter 6. Conclusion 196
• Bibliography 198
• Abstract in Korean 211