Strain-mediated van der Waals Epitaxy of Transition Metal Chalcogenides = 전이금속 칼코겐화합물의 변형 매개 반데르발스 에피택시

국문 초록 (Abstract)

반데르발스 에피택시(van der Waals epitaxy, vdWE)는 기존 에피택시 공정의 엄격한 격자 일치(lattice matching) 제약을 극복하고, 서로 다른 2차원(2D) 소재를 적층하여 이종구조(heterostructure)를 형성할 수 있는 유연한 성장 전략으로 주목받고 있다. 층간의 약한 반데르발스 상호작용은 격자 불일치에 대한 허용도를 높여주지만, 최근 연구들은 계면에서 발생하는 잔류 변형(strain)이 여전히 에피택시 층의 구조적 안정성, 적층 배열 및 상(phase) 변화에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 그러나 이러한 변형이 어떻게 발생하며 성장 과정에서 어떻게 해소되는지에 대한 연구는 많이 진행되지 않았다.
본 학위논문은 전이금속 칼코겐화합물(Transition Metal Chalcogenides)의 반데르발스 에피택시 과정에서 발생하는 '변형(strain)'의 역할을 규명하는 데 중점을 두었다. 특히, 성장 경로(growth pathway), 격자 불일치(lattice mismatch), 그리고 대칭성 불일치(symmetry mismatch)가 2차원 이종구조의 변형 해소와 구조적 진화를 어떻게 제어하는지 체계적으로 연구하였다. 이를 위해 제어된 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, cvd)과 원자 단위의 구조 분석을 결합하여 변형의 기원과 그 결과를 심도 있게 고찰하였다.
첫 번째 연구에서는 동종 이중층(homo-bilayer) MoS2 성장 시, 성장 모드와 기판 조건이 변형 축적과 도메인(domain) 형성에 미치는 영향을 규명하였다. 연구 결과, 거친 SiO2 기판 위에서의 기존 기상-고상(Vapor-Solid) 성장은 기판과의 강한 상호작용으로 인해 인장 변형을 유발하고, 이는 무질서한 다중 도메인 구조의 원인이 됨을 밝혔다. 반면, 기판과의 상호작용을 줄인 성장 방식은 변형을 억제하여 단일 도메인 구조를 형성함을 입증하였다.
두 번째 연구에서는 서로 다른 격자 불일치를 가진 이종 이중층(hetero-bilayers) 시스템을 통해 변형 해소 메커니즘을 규명하였다. 격자 불일치가 작은 MoS2/WS2 시스템은 변형이 균일하게 분포하는 반면, 격자 불일치가 큰(~4%) MoS2/WSe2 시스템은 국소적인 격자 회전(local lattice rotation)이라는 독특한 메커니즘을 통해 변형을 해소함을 모아레(moiré) 패턴 분석을 통해 시각화하고 증명하였다.
세 번째 연구에서는 구조적 다형성을 가진 주석 황화물(Tin sulfides)의 에피택시 성장에서 대칭성 불일치와 변형이 상(phase) 결정에 미치는 영향을 탐구하였다. SnS2/WSe2 시스템은 11%의 격자 불일치에도 불구하고, SnS2에 국소적인 변형이 없이 WSe2 위에서 정렬되어 성장하였으며, 사방정계인 SnS를 직접 성장시킬 경우, 대칭성 불일치로 인하여 6개 방향의 다중 배향이 가능하며 SnS에 국소적인 격자변형, 상변이가 존재하는 것을 확인하였다. 이에 대한 해결책으로 SnS2 반데르발스 버퍼층(buffer layer)을 도입하는 공정 설계를 통해 기판 유발 변형을 효과적으로 억제하고 고품질의 결정을 합성할 수 있음을 보였다.
결론적으로, 본 학위논문은 반데르발스 에피택시에서 층간 결합이 약함에도 불구하고 격자 불일치로 인한 변형이 무시할 수 없는 핵심 요소임을 강조한다. 이러한 연구 결과들은 2차원 칼코겐화합물 이종구조에서 변형에 의해 유도되는 구조적 현상을 이해하고 제어하기 위한 실험적 배경을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Van der Waals epitaxy (vdWE) has emerged as a versatile growth strategy utilizing the weak van der Waals (vdW) interactions of two-dimensional (2D) materials, enabling the integration of lattice-mismatched heterostructures by relaxing the strict constraints of conventional epitaxy. While weak interlayer interactions relax the requirement for strict lattice matching, increasing evidence suggests that interfacial strain can still develop and influence structural stability, stacking configuration, and phase evolution in epitaxially grown layers. Understanding how such strain arises and is accommodated during vdWE remains incomplete.
This dissertation investigates strain-mediated vdWE of transition metal chalcogenides (TMDs), with a focus on how growth pathway, lattice mismatch, and symmetry mismatch govern strain accommodation and structural evolution in 2D heterostructures. By combining controlled chemical vapor deposition (CVD) growth with atomic-scale structural characterization, this work systematically examines the origin and consequences of strain in vdWE systems.
The first study demonstrates how growth modes and substrate conditions influence strain accumulation and domain formation in bilayer MoS2, revealing the relationship between substrate-induced strain and domain structure. The second study focuses on vdWE hetero-bilayers with different lattice mismatches, elucidating how strain is accommodated through lattice distortion, and moiré modulation. The third study presents phase and pathway-controlled vdWE of tin sulfides, showing that substrate-induced strain can drive phase evolution during direct growth and can be effectively suppressed by introducing a vdW buffer layer.
Collectively, this dissertation highlights that despite weak interlayer bonding, lattice mismatch is not negligible but is a critical factor in vdWE. These findings provide a unified framework for understanding and controlling strain-driven structural phenomena in 2D chalcogenide heterostructures.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Chapter 1. Introduction １
• 1.1. Study Background １
• 1.2. Purpose of Research ６
• Chapter 2. Strain in CVD-grown Homo-bilayers ８
• 2.1. Introduction ８
• 2.2. Experimental Procedure １０
• 2.3. Results and Discussion １３
• 2.4. Conclusion ２３
• Chapter 3. Lattice-mismatch-dependent Strain Relaxation in van der Waals Hetero-bilayers ２４
• 3.1. Introduction ２４
• 3.2. Experimental Procedure ２６
• 3.3. Results and Discussion ２８
• 3.4 Conclusion ５０
• Chapter 4. Van der Waals Epitaxy of Two-dimensional Materials with Different Symmetry ５１
• 4.1 Introduction ５１
• 4.2 Experimental Procedure ５３
• 4.3 Results and Discussion ５６
• 4.4 Conclusion ８６
• Chapter 5 Conclusion ８７
• 5.1 Summary of Research ８７
• 5.2 Significance and Future Works ８９
• Bibliography ９０
• Abstract in Korean ９８