Epitaxial and Hypotaxial Growth of Ferroelectric Tin Sulfide with Phase Control = 강유전성 황화주석의 상 제어 기반 에피택시 및 하이포택시 성장 연구

국문 초록 (Abstract)

원자 단위 두께에서도 우수한 특성을 갖는 이차원 물질 중 황화주석 계열 강유전체는 차세대 비휘발성 메모리 및 저전력 소자의 유망한 후보군이다. 그러나 다형체 간 좁은 상 안정성과 기판 격자 부정합에 따른 계면 변형으로 인해 고품질 박막의 재현성 있는 합성에 어려움이 있었다.
본 연구에서는 먼저 2-존 화학 기상 증착법을 활용해 황과 주석 전구체의 온도를 독립 제어함으로써 SnS와 SnS2의 상 선택적 에피택시 전략을 수립하였다. 계면 변형이 상 진화에 미치는 영향을 분석하고, SnS2 반데르발스 완충 층을 도입한 경로 제어 성장을 통해 변형이 억제된 고순도 α-SnS 박막을 확보하였다. 이를 통해 반데르발스 에피택시에서 공정 경로 엔지니어링을 통해 구조적 제어가 가능함을 입증하였다.
이어 에피택시의 기판 의존성 한계를 극복하고자 상단 템플릿 정보를 하부 합성 물질로 투영하는 하이포택시 공정을 황화주석 합성에 도입하였다. 이를 통해 비정질 SiO2 기판 위에서도 단일한 상을 갖는 α-SnS 박막을 직접 성장시키는 데 성공하였다.
더 나아가, 합성된 박막의 결정성을 바탕으로 황화주석의 다축 강유전성을 실험적으로 규명하였다. PFM 측정을 통해 면내 방향뿐만 아니라 면외 방향에서도 반전 가능한 분극이 존재함을 입증하였으며, PUND 측정에서 면외 방향의 잔류 분극(Pr) 약 4.9 μC/cm2, 항전기장(Ec) 약 0.06 V/nm의 우수한 성능을 확인하였다.
본 연구에서 정립한 황화주석의 정밀 상 제어 공정과 하이포택시 메커니즘은 고성능 이차원 강유전체의 직접 합성 및 물성 제어를 위한 새로운 학술적 기반을 구축한다. 특히 황화주석의 공정 경로 엔지니어링을 통한 성장 기술과 다축 강유전성의 실험적 규명은 황화주석이 차세대 소자의 핵심 소재로서 상용화될 수 있는 새로운 가능성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Among two-dimensional (2D) materials that maintain superior properties even at atomic thicknesses, ferroelectric tin sulfide is a promising candidate for next-generation non-volatile memory and low-power devices. However, reproducible synthesis of high-quality thin films has been challenging due to the narrow phase stability between polymorphs and substrate-induced interfacial strain.
In this study, a phase-selective van der Waals (vdW) epitaxy strategy for SnS and SnS2 was first established by independently controlling the temperatures of sulfur and tin precursors using a 2-zone chemical vapor deposition (CVD) system. The influence of interfacial symmetry mismatch on thermodynamic phase evolution was analyzed, and high-purity α-SnS thin films with suppressed strain were obtained through pathway-driven growth using a SnS2 vdW buffer layer. These results demonstrated that structural control is achievable through process pathway engineering in epitaxial growth.
Subsequently, to overcome the substrate dependency limitations of conventional epitaxy, the hypotaxy process, which projects crystalline information from a top template, was introduced for tin sulfide synthesis. Through this approach, α-SnS thin films with a single phase were successfully grown directly on amorphous SiO2 substrates.
Furthermore, the multi-axial ferroelectricity of tin sulfide was experimentally elucidated based on the crystallinity of the synthesized α-SnS. Piezoelectric force microscopy (PFM) measurements confirmed the existence of switchable polarization not only in the in-plane but also in the out-of-plane direction. Positive-up-negative-down (PUND) measurements verified superior performance metrics, including an out-of-plane remnant polarization (Pr) of approximately 4.9 μC/cm2 and a coercive field (Ec) of approximately 0.06 V/nm.
The precise phase control process and hypotaxy mechanisms established in this study construct a new foundation for the direct synthesis and property control of high-performance 2D ferroelectrics. In particular, the growth technique through process pathway engineering and the experimental identification of multi-axial ferroelectricity demonstrate new possibilities for tin sulfide as a core material for next-generation devices.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Study Background 1
• 1.2. Purpose of Research 10
• Chapter 2. Phase-controlled van der Waals Epitaxy of Tin Sulfide 12
• 2.1. Introduction 12
• 2.2. Experimental Procedure 14
• 2.3. Result and Discussion 17
• 2.4. Conclusion 51
• Chapter 3. Hypotaxy of Tin Sulfide 52
• 3.1 Introduction 52
• 3.2 Experimental Procedure 55
• 3.3 Result and Discussion 59
• 3.4 Conclusion 71
• Chapter 4. Conclusion 73
• Bibliography 75
• Abstract in Korean 92