이황화몰리브덴(MoS2) 나노입자가 코팅된 광섬유 기반 습도 센서 연구

문종주 조선대학교 대학원 2022 국내석사

In this study, a humidity sensor was developed by combining the etched multimode optical fiber and the side polished optical fiber with the MoS2 nanoparticle sheet. We quantified and predicted the change in optical properties due to the interaction of MoS2 and H2O molecules. We simulated using the correlation between the refractive index of MoS2 and the attenuation coefficient k with respect to the change in hole carrier concentration for the doping material. Here, the doping material means H2O. It was confirmed that as the hole carrier concentration increased, the refractive index of MoS2 decreased and the attenuation coefficient k increased. At this time, the amount of change in each component changed nonlinearly. MoS2 was produced by synthesizing 0.363 g of Na2MoO4·2H2O and 0.33 g of Ch3CSNH2 at 200 °C for 24 hours. The sensitivity was improved by etching the multimode optical fiber up to about 50 μm in diameter. MoS2 synthesized to coat MoS2 on the fiber optic surface was mixed with a Dimethylformamide (DMF) solution. DMF solutions are mainly used as suspension solvents of materials such as MoS2. MoS2 mixed with the DMF solution changes in particle size and properties over time. We selected a coating solution by comparing MoS2 and DMF solutions without DMF solutions with sensitivity over time. The coating solution had the highest sensitivity when used immediately after MoS2 and DMF were mixed. We developed a humidity sensor by etching multimode optical fibers up to a core size of 50 um, thereby improving etching difficulty and reproducibility. In the case of an etched optical fiber sensor, the reactivity to breathing was up to 0.5 dB. The response rate to breathing was about 0.85 seconds, and the recovery rate was about 2.952 seconds. In the case of lateral polishing optical fibers, the reactivity to breathing was up to 0.14 db. The response rate to breathing was about 0.7 seconds, and the recovery rate was about 3.212 seconds. In the reported study, the reactivity of the single-mode optical fiber-based MoS2 humidity sensor is up to 0.01 dB. We conducted an experiment using a humidity chamber to confirm the performance of the developed sensor for humidity changes. The signal change of the sensor was monitored by applying a change in humidity from 40 to 80% in the humidity chamber. Due to the limitation of the humidity control capability of the humidity chamber, a rapid change in humidity occurred in some humidity changes. However, the developed sensor also detected such a change in humidity. The humidity sensor developed in this study uses an absolute humidity measurement method. However, the commonly used humidity measurement method is the relative humidity measurement method. Relative humidity is calculated and expressed based on absolute humidity and current temperature. Therefore, a system for simultaneously measuring temperature and humidity using fiber-based temperature sensor Fiber Bragg Grating (FBG) was proposed. Through the respiratory response index, the direction of improving the performance of humidity sensors in future studies is presented.

Deterministic fabrication and property characterization of 2D-based field effect transistors with MoS2 and α-MoTe2 : MoS2와 α-MoTe2를 이용한 2차원 트랜지스터의 제작 공정 연구 및 특성 분석

Choi, Kyunghee 연세대학교 일반대학원 2016 국내박사

실리콘 (Si)를 기반으로 한 트랜지스터 및 응용 소자는 우수한 전기적 특성을 가지고 있기 때문에, 현재 우리 주변 수많은 전자 제품의 대부분은 실리콘 (Si) 소자를 기 반으로 하고 있다. 그러나 더 이상 작아질 수 없는 크기의 한계에 도달하고 있다. 또 한 최근 들어 스마트 산업 시장이 커짐과 동시에 트랜지스터 및 응용 소자의 다양한 재료적, 전기적 특성이 요구되면서 기존 Si을 기반으로 한 소자의 한계점이 대두되고 있다. Si의 한계를 극복하기 위해 재료 및 소자에 관한 연구를 진행하고 있으며, 그 중에서 특히 나노 (nano) 재료가 차세대 반도체로써 각광받고 있다. 2차원 물질은 원자 두께로의 사용이 가능하고 도체, 반도체, 부도체의 다양한 성질 을 가지므로 전통적인 반도체 산업과 유연/투명 나노 산업에서의 사용이 가능하다. 그 중 금속칼코젠 화합물은 잘 알려진 2차원 반도체 물질이고, MoS2와 MoTe2는 대표적인 금속칼코젠 물질로 트랜지스터의 채널로 사용되는 연구가 많이 진행되었다. 하지만 채널과 게이트 절연층 계면, 채널과 소스/드레인 전극과의 접촉 문제를 푸는 것이 중 요한 과제로 남아있다. 이 논문에서는 상부게이트 구조의 MoS2 트랜지스터를 제작하고 전기광학적 분석법 을 실시하여 계면 결함 밀도를 분석하였다. 그 결과 2, 3, 4층 MoS2 채널과 원자층 증착 방법으로 증착한 Al2O3 절연층 계면에 깊은 에너지 준위의 트랩이 1012cm-2 이상 존재하는 것을 확인하였습니다. 다음으로, 폴리디메칠실록산을 이용한 건식 직접 전사 방식을 고안하였습니다. 이 는 다양한 기판 위에 다양한 구조의 소자 제작을 가능하게 하는 방법으로, 이를 이용 하여 유리 위에 인버티드 스태거드 형 트랜지스터 및 MOS 인버터를 제작 하였습니다. 단일 MoS2 위에 위의 직접 전사 방식을 이용하여 그래핀 소스/드레인 전극을 형성 하고, 스퍼터링 증착 법을 이용하여 Au/Ti 소스/드레인 전극을 형성하였습니다. 두 MoS2 트랜지스터를 비교한 결과, 그래핀 소스/드레인 전극의 트랜지스터가 더 향상된 오믹 특성뿐만 아니라 더 나은 오프 특성을 보임을 확인 하였습니다. 이는 게이트 전 압에 의한 그래핀의 일함수 변화 때문임을 분석하였다. 마지막으로, h-BN을 절연층으로, 그래핀을 게이트, 소스, 드레인 전극으로 사용하 여 2차원 물질로만 구성된 듀얼 게이트 구조의 α-MoTe2 트랜지스터를 리소그래피 과 정 없이 제작하였습니다. 듀얼 게이트 α-MoTe2 트랜지스터는 양극성 전송 특성을 보 이며 20cm2/V s 이상의 높은 n, p 이동도를 나타내었고, 최고 105 전류 점멸비를 보였다. 수십에서 수백 μA의 On 전류를 이용하여 청색 OLED 구동소자로써의 활용이 가 능하였다. 또한 듀얼 게이트 구조를 이용하여 NOR 게이트 동작을 시켰다. 리소그래피, 열 공정을 배제한 채 2차원 나노 물질을 이용해 제작한 다양한 구조 의 소자는 차세대 투명/유연 전자 산업에서 그 응용이 기대된다. Silicon (Si) is one of the most widely used semiconducting materials in everyday life electronic devices and Si-based devices/circuits have been essential components for daily convenience due to their excellent electrical properties. Nevertheless, lately with growing smart industry markets, traditional Si-based devices have met their limits which come from short channel effects in nanoscale Si transistors, requests for flexibility and transparency in panel. In order to minimize short channel effects, many new approaches have been implemented based on silicon technology, including the use of high-k dielectrics and multiple gates. On the other hand, people have also been seeking other materials to complement or even replace silicon technology. The outstanding properties of two-dimensional materials (2DMs) have generated immense interest for both conventional semiconductor technology and the flexible nanotechnology because these atomic sheets afford the ultimate thickness scalability desired in a variety of essential material categories, including semiconductors, transparent conductors and insulators. Transition-metal dichalcogenides (TMDs) are well-known type of 2DMs. Among TMD families, molybdenum disulfide (MoS2) and molybdenum ditelluride (α-MoTe2) are typesetting semiconducting materials. However, one of the major performance-limiting factors in TMDs FETs is the interface. It is important to solve interface problem between the TMDs channel and gate dielectric, and between the TMDs channel and metal at the source and drain. In this dissertation, we probed the top-gate MoS2 nanosheet field-effect transistors (FETs) with two- (2L), three- (3L), and four-layer (4L) MoS2/dielectric interfaces to quantify any deep-level interface trap densities by photo-excited charge collection spectroscopy (PECCS) and reported that deep-level trap density over 1012 cm-2 may exist in the interface and bulk MoS2. And, we reported on a direct imprint method, polydimethylsiloxane (PDMS)-adopting approach that enables the device fabrication of a variety of structures on any substrate. Using that method, we have fabricated MoS2 FETs with patterned bottom gate on SiO2/p+-Si and glass substrates. Since our FETs were also controlled to be a depletion or an enhanced mode with the MoS2 thickness on patterned bottom-gate and gate length, quite an ideal behavior of logic inverter was demonstrated by connecting the two different mode MoS2 FETs. Next, we have fabricated two MoS2 FETs of graphene and Au/Ti source/drain contacts, to compare their ohmic (and ON) and OFF behavior each other with an identical MoS2 nanosheet. As a result, we confirmed graphene-contact appears not only to show superior ohmic behavior to those of Au/Ti but also more enhanced OFF state behavior as well. Finally, we fabricated all 2D α-MoTe2 dual gate FETs on glass, using hexagonal boron nitride and graphene in consideration of good dielectric/channel interface and source/drain contacts, respectively. For our 2D dual gate FET fabrications we used fully non-lithographic method using only van der Waal’s forces. Our dual-gate MoTe2 FET displays good ambipolar behavior with a high hole and electron mobility over ~20 cm2/V s along with ON/OFF ratio of ~105 in maximum and high drain current of a few tens-to-hundred μA. By using the properties of the dual gate FET, we implemented NOR gate logic and light emitting diode switching. We conclude that our non-lithographic, thermal-free fabrication of 2DMs FETs on glass or flexible would be useful toward future applications such as transparent or flexible electronics.

(A) study on multiple electronic devices based on two-dimensional molybdenum disulfide

Kim, Sehwan Sungkyunkwan university 2021 국내석사

Two-dimensional materials such as graphene and transition metal chalcogenides (TMDs) are focused as next-generation materials due to their high surface-to-volume ratio and atomically thin thickness from the layered structure. Especially, Molybdenum Disulfide (MoS2), one of the TMDs family, is widely researched for electronic devices due to its semiconducting characteristics. One typical electronic device based on MoS2 is a field-effect transistor (FET) for sensors. Sensors based on MoS2 FETs have been studied as optical, biological, and chemical sensors because of advantages such as high sensitivity, fast response, and flexibility. The gas sensor, a type of chemical sensor, measures the electrical properties that change as the surrounding gas molecules adsorb to the MoS2 channel and show rapid reaction speed and high sensitivity. However, most of the studies using MoS2 are focused on exfoliated MoS2 result in poor reliability and reproducibility. To overcome this limitation, I introduced the gas sensor that measures gas concentration from 8 ppm to 256 ppm, based on large-area grown MoS2. Also, 6 x 7 scale active-matrix array was implemented that combines switching transistors and gas sensing transistors. The MoS2 FET gas sensor based on large-area grown has tremendous potential as a standard gas sensing platform that can detect gas molecules with high sensitivity and expand into an integrated system. Another application for the MoS2 device is a memristor with a simple structure and nano-scale thickness. Recent research on memristors have been focused on amorphous oxide materials that exhibit high performance, but these materials are difficult to control the formation of conductive filament (CF). I developed the memristor by synthesizing nano-scale thickness MoS2 using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) with sub 1 V operating voltage. The numerous grain boundaries of MoS2 synthesized by PECVD helped the CFs to be constantly formed, resulting in stable endurance after 120 sweep cycles and retention time of more than 6 hours. Besides, by fabricating multiple memristors using PECVD MoS2 synthesized over a large-area, the uniform performance was shown. 그래핀과 전이금속 칼코겐 화합물과 같은 이차원 소재들은 적층 구조로부터 오는 높은 부피 대비 표면적 비율과 원자 단위의 얇은 두께 등의 특성으로 인해 차세대 물질로 주목받고 있다. 특히 전이금속 칼코겐 화합물 중 하나인 이황화 몰리브데넘 (MoS2)는 반도체 특성으로 인해 전자 소자로의 연구가 많이 진행되고있다. MoS2를 이용한 대표적인 전자 소자의 응용은 field-effect transistor (FET)를 기반으로한 센서이다. MoS2 기반의 FET 센서는 높은 민감도와 빠른 반응, 유연성 등으로 인해 광학, 바이오, 화학 센서로 연구되고 있다. 화학 센서의 한 종류인 가스 센서는 외부 가스가 MoS2 채널에 흡착되면서 바뀌는 전기적인 특성을 측정하여 가스를 감지하며, 높은 민감도와 신속한 반응 속도 등을 보여준다. 그러나, 대부분의 MoS2 기반 가스 센서들은 박리 방식을 이용하여 얻은 MoS2를 사용하여 재현성과 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해서, 대면적 성장한 MoS2 를 바탕으로 8 ppm 에서 256 ppm 의 가스 농도가 측정 가능한 가스 센서를 제작하였다. 또한 스위칭 트랜지스터와 가스 센싱 트랜지스터로 이루어진 6 x 7 scale의 active-matrix 가스 센서 어레이를 구현하였다. 대면적 합성 MoS2를 기반으로 한 가스 센서는 높은 민감도를 가지며 집적화된 시스템을 가진 가스 센서 플랫폼 개발에 큰 잠재력을 보여줄 것이다. MoS2의 안정적인 구조와 나노 단위의 두께로 인해 MoS2 멤리스터 소자가 연구되고 있다. 대부분의 멤리스터 소자들은 비정질 산화 물질을 사용하는 데, 이는 뛰어난 성능을 보장하지만 전도성 필라멘트 형성을 조절하기 어렵다는 한계가 있다. 본 연구자는 플라즈마 화학 기상 증착 방식 (PECVD)을 이용하여 성장시킨 나노 단위 두께의 MoS2를 기반으로 1 V 이하에서 동작하는 멤리스터를 제작하였다. PECVD 방식으로 증착한 MoS2의 많은 grain boundary들은 전도성 필라멘트 형성을 도와주며, 이를 통해 120 번의 반복 측정해도 안정적인 endurance를 나타내며 6 시간 이상의 retention 시간을 가지는 특성을 보인다. 또한, 대면적으로 합성한 PECVD MoS2를 통해 여러 개의 멤리스터를 제작하여 균일한 성능을 보였다.

Direct Transfer and Low Temperature Synthesis of MoS2 Thin Film for Flexible Electronics

이진환 성균관대학교 일반대학원 2017 국내박사

The two-dimensional semiconductor of molybdenum disulfide (MoS2), one of transition metal dichalcogenides, has recently attracted a huge interest due to remarkable properties such as high carrier mobility. An ultra-clean and large MoS2 thin film on a flexible substrate is highly desirable for next generation electronic device applications. In this dissertation, the direct transfer method for MoS2 thin film synthesized with large area and high quality onto flexible substrate has been investigated. The high crystalline and large scale MoS2 thin film were synthesized on various rigid substrate using thermal CVD method. The synthesized films could be transferred onto PET substrate using epoxy glue. The surface of transferred films was ultra-clean and smooth without defects or wrinkles, which could be characterized by Raman spectroscopy and AFM before and after transfer. The ion-gel gated field-effect transistor based on the as-grown and transferred MoS2 thin film were fabricated to demonstrate preserving with high performance with carrier mobility of 34 cm2/Vs and on/off current ratio of ~105 after transfer process. The production methods of MoS2 thin film by various energy source have been also developed to be able to synthesize on flexible substrate directly. First, the MoS2 thin film was successfully synthesized using a plasma enhanced CVD at a relatively low temperature below 300 ℃. The molybdenum metal deposited on a 4 inch wafer-scale PI substrate was wholly sulfurized to the MoS2 thin film by dissociated H2S plasma. The Hall measurement with van der Pauw method was conducted to determine its electrical performance which has average carrier mobility of 3.7 cm2/Vs. The optical and structural analysis, also, were carried out to characterize the film. Finally, the laser injection induced the direct production of MoS2 from a precursor including ionic MoS4 on PET substrate. The laser could draw a line or pattern with synthesis process, which is controllable by changing the scan speed or power. The advantage of this method is flexibility of precursor engineering to apply various substrate, coating methods, or other TMDs materials synthesis such as WS2.

Flash memory application based on molybdenum disulfide

Park, Junwoo Sungkyunkwan university 2021 국내석사

The amount of annual information is increasing through the advent of the information age and numerous multimedia-based services. In accordance with this trend of increasing the amount of information, research and development of a medium for effectively storing data are constantly being conducted. One of the storage media that is receiving the most attention for this purpose in the industry is flash memory. In particular, flash memory is being used as the core storage medium of SSD(Solid State Disk), a high-performance mass storage device, which appeared to replace HDD(Hard Disk Drive), which has been holding back the performance improvement of servers and personal computers. Compared to HDD, which requires mechanical parts, SSD, which consists of semiconductors, is evaluated as superior in terms of performance, power consumption, noise, and durability. In line with this trend, the flash memory market is expected to increase even more. In addition, an increase in the market for various flexible devices and wearable devices is also accompanied by the growth of the flash memory market. As the need for high-performance flexible devices and wearable devices increases, device miniaturization is also required, and accordingly, the need for miniaturization, integration, and physical flexibility of components inside the device is increasing. Following this global trend, this researcher developed a flash memory device using MoS2, a 2-dimensional-based material, in order to develop a flash memory with physical flexibility and multi-function. Two-dimensional transition metal chalcogen compounds, such as Molybdenum Disulfide (MoS2), possess electrical, mechanical and optical properties, and are thus attracting attention as promising alternative materials for the field of electronic devices in the future. Based on this, this researcher proposed a new standard for multifunctional MoS2 flash memory using MoS2 channel and PEDOT:PSS floating gate. The presented MoS2 flash memory device exhibits a high switching ratio of 2.3 × 107, a large memory window (54.3 ± 7.99 V) and high endurance (> 1,000 cycles). PEDOT:PSS film and MoS2 possess a low temperature solution coating process and mechanical flexibility, so the presented flash memory has been successfully operated on both rigid silicon substrates and flexible polyimide substrates. Flash memory devices implemented on flexible polyimide substrates worked successfully even with high mechanical endurance (over 1,000 bending tests). In addition, MoS2 and PEDOT:PSS have a desirable band gap for optoelectronic memory operation, so electrons are stored differently in the floating gate depending on the light. This is a new application that combines photodiode and memory functions, and we present a multifunctional memory programming based on light intensity and color. 정보화 시대의 도래와 수많은 멀티미디어 기반 서비스를 통해 연간 생산되는 정보의 양이 증가하고 있습니다. 이러한 정보량 증가 추세에 따라 효율적으로 데이터를 저장할 수 있는 매체의 연구 개발이 지속적으로 진행되고 있습니다. 이를 위해 IT 업계에서 가장 주목 받고있는 저장 매체 중 하나가 플래시 메모리입니다. 특히 플래시 메모리는 서버와 개인용 컴퓨터의 성능 향상을 저해하고있는 HDD (Hard Disk Drive)를 대체하는 고성능 대용량 저장 장치인 SSD (Solid State Disk)의 핵심 저장 매체로 사용되고 있습니다. 기계 부품이 필요한 HDD에 비해 반도체로 구성된 SSD는 성능, 소비 전력, 소음, 내구성 등에서 우수한 것으로 평가 받고있습니다. 이러한 추세에 따라 플래시 메모리 시장은 더욱 확대 될 것으로 예상됩니다. 또한 다양한 플렉서블 디바이스 및 웨어러블 디바이스 시장의 증가는 플래시 메모리 시장을 성장시키고 있습니다. 고성능 플렉서블 디바이스 및 웨어러블 디바이스에 대한 요구가 증가함에 따라 디바이스 소형화도 요구되고 있으며, 이에 따라 디바이스 내부 구성 요소의 소형화, 통합 및 물리적 유연성에 대한 요구가 증가하고 있습니다. 이러한 글로벌 트렌드에 따라 본 연구원은 물리적인 유연성과 다 기능성을 갖춘 플래시 메모리를 개발하기 위해 2 차원 기반 소재 인 MoS2를 활용한 플래시 메모리 소자를 개발했습니다. 이산화황 몰리브덴 (MoS2)과 같은 2 차원 전이 금속 칼코겐 화합물은 전기적, 기계적, 광학적 특성을 가지고있어 향후 전자 장치 분야의 유망한 대체 소재로 주목 받고 있습니다. 이를 바탕으로 본 연구원은 MoS2 채널과 PEDOT:PSS 플로팅 게이트를 이용한 다기능 MoS2 플래시 메모리의 새로운 표준을 제안했습니다. 제시된 MoS2 플래시 메모리 장치는 2.3 × 107의 높은 스위칭 비율, 큰 메모리 창 (54.3 ± 7.99 V) 및 높은 내구성 (> 1,000 사이클)을 보여줍니다. PEDOT:PSS 필름과 MoS2는 저온 용액 코팅 공정과 기계적 유연성을 가지고 있으므로 제시된 플래시 메모리는 단단한 실리콘 기판과 유연한 폴리이미드 기판 모두에서 성공적으로 작동되었습니다. 유연한 폴리이미드 기판에 구현 된 플래시 메모리 장치는 높은 기계적 내구성 (1,000 회 이상의 굽힘 테스트)에서도 성공적으로 작동했습니다. 또한 MoS2 및 PEDOT:PSS는 광전자 메모리 작동에 바람직한 밴드 갭을 가지므로 빛에 따라 전자가 플로팅 게이트에 다르게 저장됩니다. 이것은 포토 다이오드와 메모리 기능을 결합한 새로운 애플리케이션으로, 우리는 빛의 강도와 색상을 기반으로 한 다기능 메모리 프로그래밍을 제시합니다.

MoS2 트랜지스터의 공동-트라이온 결합에 관한 연구

이호준 충북대학교 2023 국내석사

물질 내 준입자와 빛의 공명 사이 강한 결합에 의해 각 공명의 감쇄율이 그 둘의 상호작용 진동수보다 작을 경우 하이브리드 폴라리톤이라는 빛과 물질의 특성을 모두 갖는 준입자를 형성한다. 하이브리드 폴라리톤은 기존의 준입자와는 전혀 다른 특성을 지니고, 유효 질량 또한 크게 감소한다는 특징을 가지고 있다. 대전된 준입자인 트라이온이나 폴라론을 이용하여 대전된 폴라리톤을 형성할 경우 전기적으로 그 거동을 제어할 수 있으리라 기대된다. 그렇기 때문에 기존 실리콘 기반 전자 소자 높은 집적도와 광집적회로의 빠른 정보 전달 속도라는 장점만을 취합한 새로운 방식의 효율적인 차세대 하이브리드 소자로 활용이 가능할 것이다. 이에 따라 본 연구는 화학적으로 도핑된 MoS2 내 트라이온과 파브리-페로 공동 공명 사이 강한 결합을 통해 대전된 폴라리톤을 형성하고 이를 전기 소자에 응용하고자 하는 목적으로 수행되었다. 먼저, NMP 용액을 이용하여 MoS2를 효과적으로 전자 도핑시킬 수 있다는 것을 광학적으로 확인했다. 또한, 박막 트랜지스터 구조를 제작하여 도핑이 전기적 특성에 미치는 영향도 성공적으로 확인할 수 있었다. 마지막으로, 트랜지스터 구조를 최적화된 파브리-페로 공동 안에 삽입하여 공동-트라이온 결합 계를 완성했다. 하지만 비교적 한정된 면적을 갖는 MoS2 조각의 구조적 한계로 인해, 제대로 동조된 상태의 강한 결합을 형성하고 그 물성 측정을 하는데 다양한 어려움이 있었다. 본 연구를 통해 확보한 공정 및 분석 기술을 ALD 방식으로 제작한 대면적 MoS2 박막에 적용한 추가적인 연구는 대전된 폴라리톤 소자를 향한 중요한 밑거름이 되리라 기대된다. When the decay rate of each resonance is lower than the interaction frequency of the two due to the strong coupling between the resonance of the quasiparticle in the material and the light resonance, a quasiparticle with both the light and matter properties called a hybrid polariton is formed. Hybrid polaritons have completely different characteristics from existing quasiparticles, and the effective mass is also greatly reduced. Where a charged polariton is formed using trion or polaron, which is a charged quasiparticle, it is expected that its behavior could be controlled electrically. Therefore, it can be used as an efficient next-generation hybrid device of a new method that combines only the advantages of high integration of existing silicon-based electronic devices and fast information transfer speed of optical integrated circuits. Accordingly, this study was conducted with the aim of forming charged polaritons through strong coupling between chemically doped trions in MoS2 and Fabry–Pérot cavity resonance and applying them to electrical devices. First, it was optically confirmed that MoS2 may be effectively electron-doped using an NMP solution. In addition, by manufacturing a thin film transistor structure, the effect of doping on electrical characteristics could be successfully confirmed. Finally, the transistor structure was inserted into the optimized Fabry-Perot cavity to complete the cavity-trion coupling system. However, due to the structural limitations of MoS2 flake with relatively limited areas, there were various difficulties in forming strong coupled of properly tuned states and measuring their properties. Further research applying the process and analysis techniques obtained through this study to large-area MoS2 thin films manufactured by the ALD method is expected to serve as an important foundation for charged polariton devices.

Optoelectronic properties of monolayer MoS2

오혜민 성균관대학교 일반대학원 2016 국내박사

In this thesis work, we demonstrate a simple method to control the optical properties of monolayer of molybdenum disulifide (MoS2) by laser irradiation, scanning and graphene oxide (GO) sheet. First, In this laser irradiation method, we observed photo-oxidation and photo-quenching behaviors. During photo-oxidation, the neutral exciton and biexciton peak intensities increased and exhibited a blue shift but the trion peak gradually disappeared. During photo-quenching, the intensities of neutral excitons and biexcitons were reduced significantly. This was attributed to the de-doping effect of n-type MoS2 by the adsorption of oxygen-related functional groups. Second, The tuning of the electronic properties of 1L-MoS2 as a result of coating with GO can be explained by the numerous electron-withdrawing groups present on the GO sheets. Using confocal PL/Raman spectroscopy analysis, we found that the p-doping effect. Furthermore, it was also found that the enhanced PL has been correlated to the ratio of excitons to trions and biexciton. We expect that our results will be control the optical properties of monolayer MoS2 and will offer potential electronic and optoelectronic applications.

산소 플라즈마 기반 황 공공 제어를 통한 MoS2 멤트랜지스터의 저항 변화 스위칭 특성 연구

권오준 충북대학교 2023 국내석사

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenide materials provide significant advantages in achieving integration capability, extremely high scalability, and diverse electrical property. Recently, the gate-tunable memristive devices have been demonstrated using chemical vapor deposition grown polycrystalline MoS2 thin film, providing heterosynaptic plasticity and wide conductance tunability. However, the considerable difficulty in controlling the concentration of the pre-existing sulfur defects disturbs reliable resistive switching characteristics in the memtransistor. Herein, we demonstrate tunable S vacancy-modulated MoS2 memtransistor using O2 plasma treatment method. The atomic concentrations of Mo and S in the MoS2 film depending on the O2 plasma treatment time were measured by X-ray photoelectron spectroscopy analysis. The corresponding work function and energy band structure were confirmed by ultraviolet photoelectron spectroscopy and UV-visible spectroscopy analysis. Vibrational modes of the MoS2 film as O2 plasma treatment time were also investigated by Raman spectrometer. Depending on the O2 plasma treatment location and time, the resistive switching behavior was effectively controlled in the memtransistor devices. The memtransistor realizes multilevel conductance owing to the tunable resistive switching behavior under varying gate voltages. Furthermore, the memtransistor exhibits long-term potentiation/depression behavior by the drain and gate pulse stimulus. The promising results demonstrated by O2 plasma treated MoS2 memtransistor show the potential for realizing energy efficient neuromorphic synaptic devices.

Characterization of nanoscale phase transformation dynamics in MoS2 and HfO2-ZrO2 systems using transmission electron microscopy

Lee, Hyangsook Sungkyunkwan university 2021 국내박사

2차원 (2D) 황화몰리브데늄 (MoS2) 및 강유전성 산화하프늄 (HfO2) 기반의 초박막 필름은 구조에서 비롯된 독특한 전기적 및 물리적 특성으로 인해 최근 가장 활발히 연구되고 있으며, 다양한 차세대 나노전자소자에 활용할 수 있는 무궁한 잠재력을 갖고 있다. MoS2 및 HfO2 기반 초박막에서 일어나는 상변태에 대한 원자레벨의 분석은 MoS2 및 HfO2 기반 박막의 물리적, 전기적 특성을 제어하는데 있어서 매우 중요하다. 원자레벨 나노물질의 분석을 위한 강력한 도구인 투과전자현미경은 개별 원자열의 구조 정보를 제공할 뿐만 아니라 화학, 전자 및 결정학 정보를 제공할 수 있다. 본 연구에서는 화학 반응을 이용한 이산화몰리브데늄 (MoO2)의 이차원 MoS2로의 상변태 및 열처리를 통한 비정질 HfO2 기반 박막의 강유전체 특성을 나타내는 사방정계 (orthorhombic) 구조로 결정화되는 상변태에 대하여 연구를 진행하였다. MoO2 벌크의 표면 및 MoO2/MoS2 계면에서의 상변태 현상을 수차보정 투과전자현미경 (aberration corrected TEM), 고각 환형 암시야 주사형 투과전자현미경 (HAADF-STEM), 환형 명시야 주사형 투과전자현미경 (ABF133 STEM), 투과전자현미경 세차 전자회절 (TEM-PED) 등의 다양한 TEM 분석법을 활용하여 단계별로 관찰하였다. 첫째, 벌크 MoO2에서 2D MoS2 로 황화 (sulfidation) 되는 과정에서 MoO2 표면은 재구성을 통해 MoO2/MoS2 계면에서 독특한 원자구성을 갖는 일차원 (1D) 중간 결정상 (intermediate crystal)을 형성하였다. 원자레벨의 단면 TEM 분석을 통하여 1D 중간 결정상은 네 개의 몰리브데늄 (Mo) 원자 기둥으로 이루어졌고 표면은 황 (S) 원자와 결합되어 있는 것을 확인하였다. 이러한 1D 중간 결정상의 형성은 삼차원 (3D) 벌크 MoO2로부터 2D 원자층 구조를 갖는 MoS2로 재구성되는 결정적인 요소라고 판단된다. 둘째, 화학기상 증착법 (CVD)에 의해 합성된 MoS2 박막의 환경 의존적이고 가역적인 (2H ↔ 1T/1T’) 상변태를 TEM으로 직접적으로 확인함으로써 전이금속 칼코게나이드의 (TMDCs)의 상 안정성에 대한 음이온 공공 (vacancy)의 결정적인 역할을 입증하였다. CVD MoS2 박막에 존재하는 S-vacancy 사이트에서 하이드록실 (OH) 분자의 흡착과 탈착으로 인해 전자 (electron) localization 및 delocalization 발생됨에 따라 시편을 공기와 진공에 각각 노출시켜 안정상 2H와 준안정상 1T/1T’의 가역적인 상변태 유도가 가능함을 확인하였다. 마지막으로, 실리콘 (001) 기판에 합성한 2~10 nm 두께의 산화 하프늄지르코늄 (HZO) 박막에서 두께가 10 nm에서 2 nm로 감소함에 따라 무작위 배향 다결정 구조에서 우선성장 결정방위를 갖는 구조로 변하게 됨을 확인하였다. TEM-PED 분석을 통하여 박막의 우선성장 방향은 (112) 면임을 확인하였고, 이는 무작위 배향보다 62% 더 큰 분극 (polarization) 값을 나타내게 되어 얇은 HZO 두께에서도 강한 강유전 특성이 유지 됨을 밝혀냈다. 또한, 이론적 계산 접근법을 통하여 (112) 결정면은 orthorhombic HZO 박막의 표면이 하이드록실화 되었을 때 안정해질 수 있음을 확인하였다. Because of their unique electronic and physical properties, two-dimensional (2D) MoS2 and ferroelectric HfO2-based ultrathin films have attracted great attention for potential use in various next-generation nano-electronics devices. For practical application to industrial electronic devices, the atomic resolution characterization of phase transformation dynamics during the atomic-scale synthesis process in the MoS2 and HfO2 systems is crucial for controlling their physical and electrical properties. Transmission electron microscopy (TEM), a powerful tool for the characterization of nanomaterials at the atomic scale, can provide not only structural information down to individual atomic arrangements but also chemical, electronic, and crystallographic information. In this dissertation, the phase transformation dynamics in MoS2 and HfO2-based thin films, that is, bulk MoO2 to 2D MoS2 and amorphous to ferroelectric orthorhombic phase of Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) by way of chemical reactions and annealing of the amorphous films, respectively, were investigated. Phase transformation at solid surfaces and interfaces during chemical reaction or annealing process were studied via step-by-step direct observations using various atomic-scale TEM characterization methods, such as aberration-corrected TEM, high-angle annular dark-field scanning TEM (STEM), annular bright-field STEM, and TEM precession-assisted electron beam diffraction (PED) analysis techniques. First, a unique atomic configuration with ordered arrays of one-dimensional (1D) intermediate crystals was observed at the MoS2/MoO2 interfacial region, which originated from the surface reconstruction of MoO2 during a highly reducing S diffusion-controlled reaction. Atomic-scale studies show that the 1D intermediate crystals comprise diamond-shaped arrangements of four Mo atomic columns embedded in MoO2, and their exposed surface is bonded with S atoms. It is believed that the appearance of these 1D intermediate crystals is crucial to the atomic layer-by-layer and layer-controllable chemical transformation of MoO2 with a three-dimensional (3D) bond structure to MoS2 with a 2D structure through a dimension-breaking reconstruction process (3D → 1D → 2D). Second, the critical role of anion vacancies on the phase stability of synthetic metal chalcogenides was elucidated by demonstrating the environment-dependent, reversible phase transition (2H ↔ 1T/1T′) of the MoS2 films. Under high-vacuum conditions, the transition to a metastable 1T/1T′ phase was induced by electron irradiation during a TEM observation and explained by the detachment of molecules chemisorbed on the S-vacancy sites, and the subsequent electron delocalization (charge transfer) process. Additionally, a spontaneous backward transition to a 2H phase could be triggered by exposing the sample to air, which induced electron localization by re-adsorption of ambient molecules on the S-vacancy sites. Lastly, the effect of film thickness on the ferroelectric properties was investigated in a 2–10-nm-thick HZO thin film synthesized directly on Si (001) substrate. As the ferroelectric HZO film thickness is reduced to 2 nm, a randomly oriented polycrystalline structure changes to a highly textured state. TEM-PED analysis revealed that the highly textured state is dominated by the (112) out-of-plane preferred orientation of orthorhombic phase, which exhibits 62% larger polarization than that of the random orientation. This led to the compensation of the depolarization field effect and robust ferroelectricity in 2 nm HZO film. The theoretical calculation elucidated that the (112)-oriented texture of orthorhombic phase could be stabilized by forming hydroxyl-rich surfaces.

Au/Cu/MoS2나노입자가 장식된 전기화학 기반의 민감도 및 선택성이 향상된 도파민 바이오센서 개발

안동현 전북대학교 대학원 2025 국내석사