아르곤 플라즈마 처리를 통한 2차원 이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 구조상전이 거동에 관한 연구

최명훈 연세대학교 대학원 2021 국내석사

2차원(Two Dimensional) 물질은 그래핀의 발견 이후 차세대 반도체 소자로 널리 연구되어왔다. 특히 이황화몰리브덴 (MoS2)은 우수한 모빌리티 특성과 층 수에 따라 다른 밴드갭 특성을 가지는 차세대 반도체 소자 후보 중 하나이다. 하지만 이황화몰리브덴(MoS2)은 metal contact과 높은 접촉 저항을 가지며 그에 따른 소자 성능 저하의 문제점을 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 최근 연구되고 있는 분야 중 하나로 밴드갭 엔지니어링이 있으며, 이는 이황화몰리브덴(MoS2)의 구조상에 따른 밴드갭 차이를 이용하는 방법이다. 이황화몰리브덴(MoS2)은 동질이상이라는 복수의 구조상을 가지며 각 구조상에 따라 도체, 반도체 등 서로 다른 전기적 특성을 가진다. 이를 통해 반도체 성질을 가지는 육방형(Hexagonal, 2H) 구조상 대신 도체 성질을 가지는 팔면체(Octahedral, 1T) 구조를 이용하면 접촉 저항을 줄일 수 있다. 이를 구현하기 위한 연구도 꾸준히 이루어 지고 있으며 아르곤 플라즈마 처리도 이황화몰리브덴(MoS2)의 구조상전이 방법 중 하나이다. 아르곤 플라즈마 처리는 아르곤 이온의 물리적 충격을 이용한 운동 에너지 전달을 통해 이황화몰리브덴 (MoS2)의 구조상전이를 일으킨다. 본 연구에서는 물리적으로 박리된 단층 혹은 2층의 이황화몰리브덴(MoS2)에 축전 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 방식의 아르곤 플라즈마 처리를 통해 플라즈마의 RF전력과 처리 시간에 따른 이화몰리브덴(MoS2)의 구조상전이 현상 및 거동에 대해 알아보고자 하였다. 이황화몰리브덴(MoS2)의 구조상 및 층 수는 라만분광법 및 PL로 판별하였다. 본 연구를 통해 이황화몰리브덴(MoS2)을 disordered 및 식각없이 육방형 (2H) 상에서 팔면체(1T)상으로 구조상전이 시키기 위해서는 특정 조건의 아르곤 플라즈마 처리가 필요함을 알 수 있었다. Two-dimensional (2D) materials have been widely researched as next generation semiconductor devices after graphene was discovered. Especially, MoS2 is one of the potential candidates for 2D channel material due to its high mobility and unique band gap property depending on the number of layers. Mono layered MoS2 has direct band gap of 1.8 eV which can decrease energy loss induced by phonon emission while bulk MoS2 and Si has indirect band gap of 1.2 eV and 1.14 eV, respectively. Despite of the forementioned advantages, high contact resistance between MoS2 and metal contact caused by van der Waals gap is one of the critical problems in terms of transistor performance. Phase transition of MoS2 can be a solution for decreasing contact resistance since MoS2 has several crystal phases which have different electrical properties to each other. For example, 2H phase of MoS2 is semiconducting, whereas its 1T phase is metallic. Various researches already introduced how to transform the phase of MoS2 and experimentally proved that 1T phase can effectively reduce the contact resistance. Argon plasma-treatment is one method to change the phase of MoS2 by kinetic energy transfer through ion bombardment. However, the effect of the plasma conditions such as RF (Radio Frequency) power on phase transition still lacks systematic investigation. Also, process condition of argon plasma-treatment should be set carefully because plasmatreatment process may create disordered phase or etch MoS2 layer. In this study, we demonstrated phase transition of MoS2 in various plasma conditions. Plasma RF power and time were controlled as variables and phase transition or etching were distinguished by Raman spectroscopy and PL. Mechanically exfoliated mono- or bilayered 2H-MoS2 from bulk MoS2 was used. Argon plasma-treatment was processed in CCP (Capacitively Coupled Plasma) system with 27.12 MHz RF generator. During argon plasma-treatment, temperature, pressure and argon gas flux were fixed to 30 ℃, 2 torr and 900 sccm, respectively. RF power was performed from 20W to 100W and time were controlled from 1s to 500s. Samples were measured before and after argon plasmatreatment by Raman spectroscopy and PL. 532nm ND:Yag laser was used both in Raman and PL. Raman and PL spectra of MoS2 has changed from 2H-phase to 1T-phase according to Ar plasma treatment condition. First, the phase transition of MoS2 from 2H to 1T is depending on RF power under the same plasma treatment time. As RF power is higher, phase transition occurred more quickly. As well as etching of MoS2 occurred at high RF power. Second, the phase transition is also plasma treatment time dependent. Under 10s of plasma treatment at various RF power, the phase has not changed. However, the phase of MoS2 starts to change after 20s. Until 50s of plasma-treatment, Raman peak of 2H is almost disappears and 1T peak is only detected. After 100s, crystallinity is broken and peak shows disordered phase. After 500s, monolayer MoS2 is etched.

Si(100) 표면의 에틸렌 분자 흡착과 구조상전이에 관한 연구

김태준 연세대학교 대학원 2003 국내석사

본 연구는 Si(100) 표면의 다양한 구조상전이를 이용하여 유기 물질(organic material)의 결합이 쉬운 완충 층(buffer layer)을 국소영역이 아닌 광범위한 영역에서 관찰하기 위하여 실험하였다. tungsten filament에 의한 Si(100) 2×1 → 2×n → c(4×4) 구조상전이의 메커니즘을 이용하여 RHEED(Reflection High Energy Electron Diffraction)와 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)로 Si(100) 표면의 에틸렌 분자 흡착과 구조상전이의 온도와 탄소 불순물 의존성을 확인하였고 인위적인 방법으로 광범위한 2×n 구조를 얻기 위해 Ar^(+) ion bombardment와 Ni-contamination를 하였다. Ar^(+) ion bombardment에 의한 2×n 구조는 온도의 따라 급격하게 변화되는 구조상전이 특성상 2×n 구조상전이의 확인이 불가능하였고, 고온의 flashing과 bombardment에 의한 2×1(crystal) ↔ 2×1(non-crystal)의 가역 현상을 확인하였다. Ni-contamination후 annealing에 의한 Si(100) 표면의 2×n 구조상전이를 확인하였고, Ni-contamination이 된 2×n 구조상전이 시료에 에틸렌을 주입하여 1×1 or p(2×2) 구조를 확인하였다. In this study, we investigated using the wide spread buffer layer caused by various Si(100) reconstruction, in order to combine with organic material. Using the RHEED and SIMS system, we confirm the mechanism of reconstruction from 2×1 to 2×n and c(4×4) of the surface of Si(100) caused by tungsten filament and its dependency on the surface temperature, the carbon contamination and the adsorption of ethylene. And to obtain the wide spread 2×n reconstruction, we investigated with artificial method of Ar^(+) ion bombardment and Ni-contamination. It was impossible to confirm of the 2×n reconstruction with Ar^(+) ion bombardment, because its property changes quickly depend on the temperature. but we confirmed a 2×1 (crystal) ↔ 2×1 (non-crystal) reversible condition depended to the high temperature flashing and the bombardment. Confirmed a 2×n reconstruction of the Si(100) surface depended to the annealing after Ni-contamination. The 1×1 or p(2×2) reconstruction was observed by ethylene exposed on the Ni-contaminated Si(100) 2×n reconstructed surface.

RHEED와 SIMS를 이용한 Si(100) 2x1 →c(4x4) 구조상전이 연구

김동근 연세대학교 대학원 2003 국내석사

본 연구는 Si(100) 표면이 2×1에서 c(4×4)로 구조상전이를 일으키는 원인이 표면 온도와 탄소 불순물에 의한 영향이라는 것을 조사하기 위해서, 표면 분석 장치인 RHEED(Reflection High-Energy Electron Diffraction)와 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)를 이용하여 관찰 및 분석하였다. Si(100) 2×1 시료를 텅스텐 필라멘트를 이용하여 시료 표면의 온도를 600℃까지 올리면 c(4×4)로 구조상전이가 일어나고, 진공 chamber 속에 CHx와 같은 분자 기체가 상온에 비해 많이 형성되었다. 이것은 텅스텐 필라멘트로부터 생성된 탄소원자가 c(4×4) 구조상전이에 상당한 영향을 주고 있음을 보여준다. Si(100) 표면이 2×1에서 c(4×4)로 구조상전이를 일으키는 것이 온도와 탄소 불순물에 의한 영향이라는 것을 보다 명확히 규명하기 위하여 동일한 진공 chamber 속에 RHEED 장치와 SIMS 장치를 동시에 부착하여 실험하였다. 1000℃까지 가열했던 Si(100) 2×1 시료를 상온에서 650℃로 다시 가열하여 60L(Langmuir)의 에틸렌(ethylene ; C_(2)H_(4))을 뿌려준 후 50분 동안 유지한 결과 c(4×4) 구조상전이가 나타나는 것을 RHEED 패턴(pattern)으로 확인하였다. 다시 충분한 pumping 후에 SIMS를 이용하여 시료 표면의 구성원소를 분석한 결과 탄소가 검출되었다. 따라서, 표면온도와 탄소 불순물에 의해 c(4×4)의 구조상전이가 나타나는 것을 알 수 있었다. The effect of surface temperature and carbon impurity on Si(100) 2×1 → c(4×4) reconstruction is investigated by RHEED and SIMS measurements. UHV vacuum chamber consists of RHEED, SIMS, a manipulator attaching Mo-molded heater, and a in-situ gas injection system to inject ethylene(C_(2)H_(4)) gas. Si(100) 2×1 sample is annealed at 1000℃ for 3 minutes in the vacuum of 10^(-11)Torr, and then becomes buckled dimmer. First, Si sample is heat-treated at 800℃, where it is not yet c(4×4) reconstructed confirmed by RHEED pattern. Second, Si sample is heat-treated at 800℃, and then exposed to 60L ethylene gas at 650℃. This sample shows c(4×4) reconstruction by RHEED pattern. After pumping ambience gas, carbon impurities at its surface are observed by SIMS. In conclusion Si(100) 2×1 → c(4×4) reconstruction is affected by surface temperature and carbon impurity.

Hydrocarbon molecule 흡착에 따른 Si(100) 표면 구조상전이과정 연구

이호철 연세대학교 대학원 2008 국내석사

In order to examine the surface temperature and the C atom quantity of a Si (100) 2×1 → 2×n → c(4×4) reconstruction, we carried out an experimental study through RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction). Moreover, in a UHV chamber, in order to inject the two different Hydrocarbon molecules, Ethylene (C2H4) and Acetylene (C2H2) we have attached an in-situ gas injection system. Inside the ultra high vacuum, after flashing for a few seconds at the 1000 ~ 1200°C temperature range, the Si(100) sample acquires the constitution of a clean 2×1 buckled dimer. Following this, at a temperature of 650°C, as we alter the volume of Ethylene, the sample is exposed to hydrocarbon gas (C2H2, C2H4). Through the multiple reconstructions observed by RHEED patterns, we were able to confirm the appropriate volume of C-atom in the c(4×4) reconstruction. Also, by using two gases which is composed of C-atoms, coverage is different from injected quantity. Ethylene and Acetylene are compared with results acquired through the converted from Langmuir(L) to monolayer(ML). Therefore we are capable of determining the appropriate C-atom coverage in the Si(100) reconstruction as well as the two gases efficiency in reconstruction. 본 연구는 Si(100) 표면이 2×1 → 2×n → c(4×4)로의 구조상전이가 일어나는 표면 온도와 적절한 탄소의 양을 조사하기 위하여, 표면 분석 장치인 RHEED(Reflection High energy electron diffraction) 로 실험하였다. 또한 UHV chamber 내에 서로 다른 Hydrocarbon molecule인 에틸렌(C2H4)과 아세틸렌(C2H2) 기체를 시료 표면 위에 뿌려줄 수 있는 기체분사장치를 부착하였다. 초고진공에서 Si(100)를 1000~1200℃로 수 초간 가열하여 깨끗한 2×1 buckled dimer구조로 된 시료를 얻었다. 이렇게 얻어진 sample은 표면온도 650℃에서 에틸렌 기체를 L(Langmuir : 1 × 10-6 Torr·s)값을 변화시켜 분사, 이에 따라 변화하는 다양한 구조상전이 상태를 RHEED 패턴의 변화과정을 통해 관찰하여 c(4×4) 구조상전이과정에 가장 적절한 Langmuir값을 확인하였다. 또한 C-atom을 포함하는 다른 분자구조의 기체인 아세틸렌(C2H2)을 이용한 실험과정을 통해 reconstruction을 관찰하고 두 실험에서의 차이점을 비교분석하였다. 이후 L → ML(Mono Layer) 환산을 통해 Si(100) reconstruction에 가장 적절한 C-atom의 coverage와 서로 다른 Hydrocarbon molecular gas exposure에 있어서 두 기체 사이의 표면 reconstruction 효율성의 차이를 확인할 수 있었다.

Ar+ 이온충돌에 의한 Si(100) 표면 재구조에 관한 연구

김주광 연세대학교 대학원 2004 국내석사

The progress of Si(100) (2×1)→(2×n)→c(4×4) is investigated by RHEED measurement. The Si(100) (2×1) sample is annealed at 1000℃ for several days in the vacuum of 10-10Torr, and then becomes the clean surface. We bombarded the sample with Ar+ ions by 5keV ion gun of the SIMS system. After the bombarded surface was annealed, the (2×n) like RHEED pattern is observed. And then the Si(100) (2×n) exposed to 300L ethylene gas at 650℃. The sample shows c(4×4) structure by RHEED pattern The surface defects help carbon atoms incorporate with silicon. Consequently, the (2×n) reconstruction is necessary so that the Si(100) (2×1) becomes the c(4×4) 본 연구는 Si(100) 2×1 → 2×n → c(4×4)로의 구조상전이 과정을 조사하기 위하여, RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)를 사용하여 관찰 및 분석하였다. 초고진공에서 1000℃로 수 일간 flashing하여 불순물이 없는 Si(100) 2×1 시료를 준비하고, SIMS(Secondray Ion Mass Spectrometry)system의 5keV ion gun을 사용하여 Ar+ ion bombardment 시켰다. Non-crystal 상태의 시료를 annealing 후 2×n 구조상전이가 나타나는 것을 RHEED 패턴(pattern)으로 확인하였다. 650℃로 다시 가열하여 에틸렌(C2H4) 300L(Langmuir) 을 뿌려준 후 50분간 유지한 결과 c(4×4) 구조상전이가 나타났다. 따라서, 표면결함(Surface defect)는 탄소가 실리콘 안으로 들어가기 용이하게 하므로, 2×n 구조는 c(4×4) 구조로 가기 위한 필수 단계라고 생각한다.

Correlation between Structural Phase Transition and Surface Chemical Properties of thin film SrRuO3/SrTiO3 (001)

Dongwoo Kim 광주과학기술원 대학원 2020 국내석사

The correlation between the structural phase transition (SPT) and oxygen vacancy in SrRuO3 (SRO) thin films was investigated with in situ X-ray diffraction (XRD) and ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (AP-XPS). In situ XRD shows that the SPT occurs from a monoclinic SRO (M-SRO) phase to a tetragonal SRO (T-SRO) phase near ~ 200 ℃ regardless of pressure environment. On the other hand, significant core level shifts in both the Ru and Sr photoemission spectra are found under ultra-high vacuum (UHV), but not under oxygen pressure environment. The directions and behavior of the core level shift of Ru and Sr are attributed to the formation of oxygen vacancy across the SPT temperature of SRO. The analysis of in situ XRD and AP-XPS results indicate the formation of metastable surface oxide possibly due to migration of internal oxygen atoms across the SPT temperature, signifying the close relationship between oxygen vacancy and SPT in SRO thin films.

Si(100) 표면의 이온충돌과 분자흡착에 의한 재구조 연구

유윤석 연세대학교 대학원 2006 국내석사

Si(100)­c(4×4) 구조는 그 형성원인에 대해서 순수한 실리콘 구조라는 것부터 다양한 불순물에 의해 형성된다는 것까지 여러 가지 주장들이 제기 되었다.이러한 실리콘의 표면 재구조 형성과정 및 그 원인을 연구하고자 Ar+ ion bombardment, 에틸렌(C2H4)가스, 산화막 등을 이용하였다. 먼저 3keV Ar+ ion bombardment를 3분과 5분 그리고 10분간 실시하였고, 이를 통해 Si(100) 2×1 구조는 가역성 및 2×n 구조와 non­crystal 형태로 재구조 되었다. 2×n 구조에 에틸렌(C2H4)가스 주입을 통한 탄소 도입 후에는 2×n 구조는 실리콘 내부의 탄소의 영향으로 c(4×4) 구조로 다시 재구조 되는 것을 확인하였다.또한, 산소(O2) 주입을 통한 표면층의 산화막 형성 후 탈착을 통한 재구조 과정을 통해 2×n 구조와 c(4×4) 구조가 공존하는 것을 확인하였다. 이러한 표면의 구조상전이의 관찰 및 표면결함(Surface defect)를 위해 RHEED(Reflection High Electron Energy Diffraction) 와 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)를 이용하여 관찰 및 분석 하였다. For researching the process and the course during recomposing surface of si(100), Ar+ ion-bombardment, ethylene(C2H4) gas, and oxidation film are utilized. Mainly, let 3keV Ar+ ion-bombardment perform during 3 minute, 5 minute, and 10 minute. from the result, Si(100) 2×1 structure is reconstructed to reversibility, 2×n and non-cystal structure. after introducing carbons with injecting ethylene gas 2×n structure, it is observed to the result that 2×n structure become c(4×4) structure from influencing carbons within Silicon.In addition, it is detected to the coexistence of both C(4×4) and 2×n structure from the restructure due to desorbtion after forming oxidation film of the surface through injecting oxygens. for both observed reconstruction and surface defect of this surface, this experiment is observed and analyzed with RHEED(Reflection High Energy Electron Diffraction) and SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)

Molecular dynamics studies on deformation of silicon and gallium arsenide in nanometer scale

김동언 서울대학교 대학원 2006 국내박사

층상구조인 화합물 [Zn(H₂O)6](CnH₂n+₁SO₃)₂의 합성 및 구조 상전이 연구

田泰鉉 檀國大學校 2000 국내석사

일반적으로 분자가 모여서 결정과 같은 집합체를 형성할 때 분자간의 배향은 여러 가지 화학결합의 안정성에 의하여 결정된다. 분자자체와 여러 화학결합에 대한 이해가 깊어지면서 몇 개의 분자간의 상대적 배치 그리고 나아가서는 이차원 평면과 삼차원 공간 내에서 분자간의 상대적 배향을 원하는 방식대로 배열시키는 여러 가지 기교를 사용해왔다. 그중 한 방법인 자기집합 방법으로 화학분야에서 매우 광범위하게 일어나고 있는 현상이다. 본 연구에서는 수화된 아연이온([Zn(H₂O)_6]²+)과 알킬술폰이온(C_nH_(2n+1)SO₃^-)이 자기집합(self-assembly)된 층상화합물을 합성하였다(여기서 n = 10, 12, 14, 16, 18). 고온 X-선 회절데이타로 각 n 값에 대한 자기집합된 알킬술폰, 즉 물로 육배위된 화합물과 부분 탈수된 화합물, 그리고 완전 탈수된 화합물의 층간거리를 계산하였다. 알킬술폰의 분자 크기와 모체의 구조를 고찰하면, 낮은 온도 영역에서 안정한 구조인 [Zn(H₂O)_6]²+[C_nH_(2n+1)SO₃]₂^-는 여섯 개로 수화된 아연층에 알킬술폰이 32.9˚로 경사진 이중층 구조를 가지며 층간거리는 33.8? 임을 확인하였다. 그리고 중간 온도 영역에서는 [Zn(H₂O)₄]²+[C_nH_(2n+1)SO₃]₂^-구조를 가지며 네 개로 수화된 아연층에 알킬술폰이 55.2˚로 경사진 이중층 구조 구조를 가지며 층간거리는 39.9? 임을 확인하였다. 마지막으로 높은 온도영역에서는 알킬술폰이 아연금속에 직접 결합된 Zn(C_nH_(2n+1)SO₃)₂ 구조를 가지고 있으며 76.5˚의 큰 경사각을 유지하면서 이중층 구조를 가지며 층간거리는 44.8? 임을 확인하였다. 이로부터 합성된 층상화합물은 다른 온도영역에 따라 세 가지의 상이 존재함을 확인하였다. In generally, intermolecular orientation depends on stability of several chemical bonds when collecting molecular form an aggregate like crystals. Following deep understanding about molecular and chemical bond, it had been using several techniques that configurate relative intermolecular orientation purposely in one, two, and three dimension. One of them is the self-assembly process, which is very universally occurring in the field of chemistry. In this experiment, the layered compounds of alkylsulfonates with hydrated zinc(II) were synthesized by the self-assembly method. We measured layered distances of self-assembly alkylsulfonates(hydrated compounds by six H₂O molecules) for each n (n = 10, 12, 14, 16, 18), partially dehydrated, and completely dehydrated forms by using the HTXRD. Taking the molecular size of alkylsulfonate and structure of host layer into consideration. alkylsulfonates were linked together by hydrogen bonds hexa aqua zinc layer as the bilayer structure of 32.9˚angle and layered distance is 33.8A˚for [Zn(H₂O)_6]²+[C_nH_(2n+1)SO₃]₂^-, which is the stable structure for the low temperature ranges. For the intermediate temperature ranges, alkylsulfonates were combined with tetra aqua zinc layer as the bilayer structure of 55.2˚angle and layered distance is 39.9A˚ for [Zn(H₂O)₄]²+[C_nH_(2n+1)SO₃]₂^-. In high temperature ranges, alkylsulfonates were directly bonded to zinc ion with the bilayer structure of 76.5˚angle and layered distance is 44.8A˚ for Zn(C_nH_(2n+1)SO₃)₂. Therefore, synthetic layered compounds have three phase states with different temperature ranges.