TiOx 나노 입자를 이용한 MoS2 및 WSe2의 표면 개질 도핑 제어 연구 = Surface Modification of MoS2 and WSe2 with TiOx Nanoparticles for Doping Control

국문 초록 (Abstract)

2차원 반도체 소재는 기존 실리콘 기반 소자의 소형화 물리적 한계를 극복할 차세대 물질로 주목받고 있으며, 그중에서도 전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides, TMDc)은 층상 구조와 우수한 전기적·광학적 특성 덕분에 전자 재료 분야의 핵심 연구 대상이다. 전자 소자 응용을 위해 캐리어 농도를 정밀하게 제어하는 도핑(Doping) 기술이 필수적이지만, 2차원 소재는 격자 구조적 특성상 치환 도핑이 결정 구조를 손상시키는 문제점을 안고 있다. 이에 본 연구는 결정 구조를 손상시키지 않고 효율적 도핑 방안인 금속 나노 입자를 이용한 표면 개질 도핑에 주목하였다. 특히, 기존 연구에서 상이한 결과가 보고되어온 TiOx 금속 나노 입자를 다층 n형 이황화 몰리브덴(MoS2)와 p형 텅스텐 디셀레나이드(WSe2) 결정의 도핑 거동에 미치는 영향을 심층적으로 탐구하고, 그 메커니즘을 규명하여 실용적인 도핑 제어 전략을 제시하는 것을 목표로 한다.

고진공 하에서 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 통해 1nm 두께의 Ti을 증착하여 산소가 풍부한 TiOx 나노 입자를 형성하였다. 형성된 나노 입자는 주사전자현미경(SEM), 원자힘 현미경(AFM), X선 광 전자 분광법(XPS)의 표면 분석을 통해 확인되었다. 이후 TiOx 나노 입자가 도핑 거동에 미치는 영향을 X선 광전자분광법 및 라만 분광기(RAMAN Spectroscopy)와 트랜지스터 전기적 거동 특성 측정을 통해 분석하였다. 광 전자 분광법과 라만 분광기 분석 결과, TiOx 나노 입자는 이황화 몰리브덴에서는 n형 도핑을 억제하는 반면, 텅스텐 디셀레나이드에서는 p형 도핑을 향상시키는 상반된 경향성을 밝혀냈다. 또한 트랜지스터 특성에서 문턱 전압이 양의 방향으로 이동하고, 온 전류(on current)의 변화가 관찰되었으며 이는 도핑 경향성과 일치하였다. 또한 Kelvin 탐침력 현미경(KPFM) 측정에서 증가된 일함수 값은 p형 도핑 유도 메커니즘을 더욱 뒷받침하였다.

이 결과는 TiOx 나노 입자가 이황화 몰리브덴과 텅스텐 디셀레나이드의 도핑 특성을 효과적으로 조절할 수 있음을 보여주며, 2차원 소재 기반 소자 제작 시 전자 구현을 위한 핵심적인 도핑 제어의 간단하고 효과적인 접근법을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study explores the effect of TiOx nanoparticles on the doping behavior in multilayer n-tye MoS2 and p-type WSe2 crystals. The deposition of a 1 nm thick Ti via electron-beam evaporation under high vacuum, resulted in the formation of oxygen-rich TiOx nanoparticles, indicated through scanning electron microscopy, atomic force microscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. X-ray photoelectron spectroscopy and Raman analyses revealed suppressed n-type doping in MoS2 and enhanced p-type doping in WSe2. Transistor characteristics showed a positive threshold voltage shift and altered on-current, consistent with the observed doping trends. The observed p-type doping behavior was further supported by the increased work function values measured using Kelvin probe force microscopy. These results demonstrate that the TiOx nanoparticles effectively modulate the doping characteristics of MoS2 and WSe2, providing a simple and effective approach for doping control in devices based on two-dimensional materials.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 문헌연구 4
• 2.1 그래핀(Graphene) 4
• 2.2 전이금속칼코겐화합물(Transition Metal Dichalcogenides, TMD) 6
• 2.2.1 이황화 몰리브덴(MoS2) 8
• 2.2.2 텅스텐 디셀레나이드(WSe2) 10
• 2.3 전이금속 칼코겐 화합물 도핑 방법 12
• 제3장 실험 방법 14
• 3.1 전이금속 칼코겐 화합물 전계효과 트랜지스터 제작 14
• 3.1.1 전이금속 칼코겐 화합물 박리 및 기판 전사 14
• 3.1.2 전극 형성을 위한 패터닝 16
• 3.1.3 혼합가스 열처리 18
• 3.2 TiOx 나노 입자 증착 조성 및 표면 확인(AFM, SEM, TEM) 19
• 3.3 도핑 효과 분석 20
• 3.3.1 Raman spectroscopy 분석 20
• 3.3.2 XPS 분석 21
• 3.3.3 KPFM 분석 22
• 3.3.4 전기적 특성 평가 23
• 제4장 실험 결과 및 고찰 24
• 4.1 TiOx 나노 입자 표면 상태 24
• 4.2 증착된 Ti 조성 분석 26
• 4.2.1 XPS 조성 분석 28
• 4.3 도핑 효과 29
• 4.3.1 XPS 도핑 효과 분석 29
• 4.3.2 Raman 도핑 효과 분석 31
• 4.3.3 도핑 후 전기적 특성 평가 33
• 4.3.4 도핑 후 KPFM 분석 36
• 4.4 전기적 안정성 38
• 제5장 결론 39
• 참고 문헌 40
• 영문초록 (Abstract) 48
• 감사의 말 50