Tailored Growth of Transition Metal Dichalcogenides by Metal Organic Chemical Vapor Deposition = 금속유기화학기상증착법을 이용한 전이금속 칼코젠화물의 맞춤형 성장

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recent research on the synthesis of two-dimensional materials using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) has highlighted its potential to achieve scalable and uniform film growth, offering precise precursor control and compatibility with semiconductor processes. However, challenges remain in achieving precise layer-by-layer growth and avoiding contamination originated from by-products or promoters.
In this study, we systematically investigated the growth mechanisms and promoter effects in the MOCVD synthesis of MoS2 thin films, with a particular focus on the role of H2O. A multi-step growth strategy was developed to enable layer-by-layer control, separating nucleation and lateral growth steps and optimizing precursor supply conditions for each step. This approach facilitated the successful synthesis of large-area monolayer and few-layer MoS2 films with high crystallinity and uniformity on 4-inch c-plane sapphire substrates.
Furthermore, we demonstrated that introducing H2O effectively enhances lateral growth and significantly increases grain size even in carbon by-product free growth conditions, demonstrating that H2O acts not only as an oxidizing agent but also as an active growth promoter. Residual gas analysis confirmed that H2O promotes the decomposition of Mo(CO)6, thereby increasing the supply of reactive Mo species. Additionally, first-principles density functional theory calculations revealed that H2O reduces the reaction barrier for MoS2 cluster formation, and the adsorption energy of H2S on Mo adatoms at MoS2 edges.
This comprehensive approach provides fundamental insights into the synergistic effects of precursor decomposition, surface energy modification, and reaction barrier reduction. The findings offer practical guidelines for the scalable and contamination-free synthesis of high-quality MoS2 films, paving the way for their integration into next-generation electronic and optoelectronic devices.

국문 초록 (Abstract)

최근 MOCVD를 이용한 이차원 소재 합성 연구는 정밀한 전구체 제
어와 반도체 공정 호환성을 바탕으로, 대면적 및 균일한 박막 성장이 가
능하다는 점에서 큰 주목을 받고 있다. 그러나 층수를 정확히 제어하며
성장하고, 부산물이나 성장 촉진제로 인한 오염을 방지하는 데에는 여전
히 과제가 남아 있다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 MoS2 박막의 MOCVD
합성 과정에서 성장 메커니즘과 성장 촉진제 역할, 특히 H2O의 역할을
체계적으로 분석하였다. 본 연구에서 개발한 multi-step 성장 전략은
nucleation 단계와 lateral growth 단계를 분리하고 각 단계별 전구체 공급
조건을 최적화함으로써 layer-by-layer 성장 제어가 가능하도록 설계되었
다. 이를 통해, 4-inch c-plane 사파이어 기판 위에 고결정성 및 균일성을
갖는 대면적 단층 및 다층 MoS2 박막 합성에 성공하였다.
또한, 탄소 부산물이 없는 성장 조건에서도 H2O를 도입함으로써
grain size가 크게 증가함을 확인하였으며, 이는 H2O가 단순한 산화 보조
제 역할을 넘어 능동적인 성장 promoter로 작용함을 입증하였다. Residual
gas analysis (RGA)를 통해 H2O가 Mo(CO)6의 분해를 촉진하여 활성 Mo
species의 공급을 증가시키는 것을 확인하였다. 추가적으로, first-principles
DFT 계산을 통해 H2O가 Mo cluster 형성의 반응 장벽을 낮추고, MoS2 edge에서의 H2S 흡착 및 반응을 촉진함을 규명하였다.
이와 같은 종합적 접근은 전구체 분해 촉진, 표면 에너지 변화, 그리
고 반응 장벽 감소의 시너지 효과에 대한 근본적인 통찰을 제공하며, 고
품질 MoS2 박막의 대면적 합성을 위한 실질적인 가이드라인을 제시한
다. 이러한 결과는 차세대 전자 및 광전자 소자 응용을 위한 MoS2 기반
이차원 소재의 대규모 제조에 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 5
• Chapter 2. Bakgrounds 8
• 2.1 Two-Dimensional Materials 8
• 2.2 Production Methods of Two-Dimensional Materials 11
• 2.2.1 Mechanical Exfoliation 11
• 2.2.2 Synthetic Methods 13
• 2.2.3 Metal Organic Chemical Vapor Deposition 15
• Chapter 3. Multi-Step MOCVD for Layer-by-Layer Growth of MoS2 19
• 3.1 Motivation 19
• 3.2 Experimental Procedure 25
• 3.3 Results and Discussion 28
• 3.3.1 Optimization of Nucleation Step 28
• 3.3.2 Optimization of Lateral Growth Step 34
• 3.3.3 Cyclic Process for Multi-Layer MoS2 Film Growth 43
• 3.3.4 Growth Mechanism of Multi-Step and Cyclic Process 47
• 3.3.5 Electrical Properties of MoS2 Film Growth via the Multi-Step Process 53
• 3.4 Conclusion 57
• Chapter 4. Water-Promoted MOCVD for Contamination-Free Growth of MoS2 59
• 4.1 Motivation 59
• 4.2 Experimental Procedure 64
• 4.3 Results and Discussion 69
• 4.3.1 Promoting Effects of H2O in MoS2 Growth 69
• 4.3.2 Experimental Analysis for H2O Promoting Mechanims 74
• 4.3.3 DFT calculation for H2O Promoting Mechanisms 81
• 4.4 Conclusion 87
• Chapter 5. Conclustion 89
• Bibliography 91
• Abstract in Korean 103