템플릿 기반 CVD를 이용한 대면적 2D Mo2C 박막의 합성과 성장 메커니즘에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

몰리브덴 카바이드(Mo2C)는 뛰어난 전기전도도, 우수한 기계적 안정성, 그리고 초전도성과 높은 촉매 활성으로 인해 차세대 에너지 변환 및 양자소자 응용 분야에서 중요한 후보 물질로 주목받고 있다. 그러나 균일한 두께와 우수한 결정성을 갖는 대면적 Mo2C 박막을 재현성 있게 합성하는 것 은 여전히 어려운 과제로 남아 있다. 특히, 기존의 MAX 상 전구체를 이용한 선택적 에칭 기반의 하향식(top-down) 합성법은 두께 불균일성, 표면 결함, 그리고 불필요한 표면 작용기 형성 등으로 인해 전기적 및 촉매적 특성을 저하시킨다는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 다층 그래핀을 탄소 공급원으로 활용함과 동시에 CH4 의 확산을 제어하는 템플릿으로 이용한 화학기상증착(CVD) 기반 상향식 (bottom-up) 합성 전략을 제시하였다. 그래핀의 층수를 정밀하게 조절함으로써 Mo2C의 핵생성 밀도, 측방향 성장 속도, 두께, 결정립 형태 등 다양한 성 장 매개변수를 제어할 수 있음을 확인하였다. 구조 분석 결과, 두꺼운 그래 핀 템플릿(5층 이상)을 사용할 경우 불규칙한 결정립 형태와 넓은 피복면적, 낮은 결함 밀도를 지닌 Mo2C 박막이 형성되며, 초전도 특성 측정을 통해 높 은 결정성이 유지됨이 검증되었다. 반면, 이중층 그래핀 템플릿을 적용한 시 료에서는 가장 우수한 수소 발생 반응(HER) 활성이 나타났으며, 이는 활성 가장자리(edge-active site)의 노출이 극대화된 결과로 해석된다. 또한, 본 연구에서는 전사 과정에서 발생할 수 있는 박막 손상과 오염 문 제를 방지하기 위해 transfer-free 방식을 도입하여, 웨이퍼 기판 위에 직접 Mo2C 박막을 성장시키는 공정을 수행하였다. 이를 통해 전사 단계 없이도 Mo2C 필름을 대면적으로 성장시킬 수 있음을 확인하였으며, 이는 향후 대면 적 소자 제작 공정의 효율성과 재현성을 높이는 데 중요한 기반이 될 것으 로 기대된다. 결과적으로, 본 연구는 그래핀 템플릿을 이용한 화학기상증착법이 2차원 전이금속 카바이드의 성장 거동과 구조적 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 효과적인 접근임을 입증하였다. 나아가 이러한 방법론은 초전도성과 전기촉 매 기능을 동시에 구현할 수 있는 2D 소재의 합리적 설계 전략으로 확장 가 능하며, 고성능 에너지 변환소자 및 양자소자 개발에 새로운 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 이론 및 문헌 조사 4
• 1.2.1 그래핀 4
• 1.2.2 화학기상증착법 Mo2C 성장 7
• Ⅱ. 실험 방법 12
• 2.1 다층 그래핀 성장 및 적층 12
• 2.2 다층 그래핀을 활용한 Mo2C 성장 16
• 2.3 Mo2C 전사 방법 18
• 2.4 전사 없는 Mo2C의 성장 방법 (Transfer-free) 20
• 2.5 특성 평가 23
• Ⅲ. 실험 결과 25
• 3.1 그래핀 층수가 Mo2C 특성에 미치는 영향 25
• 3.1.1 그래핀 층수에 따른 Mo2C 모양 변화 25
• 3.1.2 그래핀 층수에 따른 Mo2C 화학적 결합 28
• 3.2 그래핀 템플릿에 의한 Mo2C 성장 메커니즘 33
• 3.2.1 Mo2C와 그래핀의 위치 관계 37
• 3.2.2 다층 그래핀을 사용한 선택적 Mo2C의 성장 39
• 3.2.3 다층 그래핀과 메탄의 유무에 따른 Mo2C 성장 차이 41
• 3.2.4 다층 그래핀의 Mo2C 성장에 대한 역할 및 메커니즘 43
• 3.3 Mo2C의 전기적, 화학적 특성 49
• 3.3.1 Mo2C의 전기적 특성 49
• 3.3.2 Mo2C 수소 발생 반응 특성 51
• 3.4 Mo2C의 Sio2/Si 기판으로의 직접 성장 55
• 3.4.1 고상 탄소원의 종류 및 공정 조건에 따른 Mo2C 특성 평가 55
• 3.4.2 Mo2C의 결정 및 화학 구조 분석 58
• 3.4.3 Mo2C 박막의 전기적 특성 64
• Ⅴ. 결론 67
• 참고문헌 69
• Abstract 76