KR101566851B1 - synthetic mathod of self controlled MoS2 single layer by electroplating method and transistor using self controlled MoS2 single layer thereby - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단일층 이황화몰리브덴 합성 방법에 관한 것으로서, 전기도금 공정을 이용하여 음극에 자기제어 이황화몰리브덴(MoS2) 단일층(self controlled MoS2 single layer)을 증착시키는 제1단계와, 상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 증착 후 상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 결정화하는 제2단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전기도금 공정을 이용한 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 합성 방법 및 이에 의해 제조된 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 이용한 트랜지스터를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 기존의 단일층(single layer) 형성방법이 아닌 전기도금 공정에 의해 자기제어 방식으로 이황화몰리브덴 단일층이 합성되도록 하여, 저비용으로 이황화몰리브덴 단일층을 용이하게 구현할 수 있으며, 균일도가 개선되어 대면적, 고품질의 이황화몰리브덴 단일층을 제공할 수 있으며, 트랜지스터 재료에 적용할 수 있는 이점이 있다.The present invention relates to a method of synthesizing a monolayer molybdenum disulfide, wherein a self-controlled molybdenum disulfide (MoS 2 ) monolayer (self-controlled MoS 2 and a second step of crystallizing the self-controlled molybdenum disulfide monolayer after deposition of the self-controlled molybdenum disulfide monolayer. The electrodeposition process of claim 1, A method of synthesizing a monolayer of molybdenum and a transistor using the monolayer of self-controlled molybdenum disulfide produced by the method are described. As a result, a molybdenum disulfide monolayer can be synthesized in a self-controlled manner by an electroplating process, rather than a conventional single layer forming method. Thus, a single layer of molybdenum disulfide can be easily implemented at low cost, Area and a high quality molybdenum disulfide monolayer can be provided, and there is an advantage that it can be applied to a transistor material.
Description
본 발명은 단일층 이황화몰리브덴 합성 방법에 관한 것으로서, 전기도금 공정을 이용하여 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 형성하여, 대면적 고품질의 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 얻을 수 있는 합성 방법 및 이에 의해 제조된 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 이용한 트랜지스터에 관한 것이다.The present invention relates to a method of synthesizing monolayer molybdenum disulfide, which comprises forming a monolayer of self-controlled molybdenum disulfide using an electroplating process to obtain a monolayer of high quality self-controlled molybdenum disulfide with a large area, To a transistor using a self-controlled molybdenum disulfide monolayer.
탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양으로 배열된 그래핀은 대표적인 이차원 물질로 그 놀라운 특성으로 인해 매우 큰 관심을 받고 있으며, 2004년 그래핀을 발견한 영국 맨체스터 대학의 가임 교수와 노보셀레프 교수는 불과 6년 후인 2010년 노벨상을 수상하였다.Graphene, a hexagonally shaped honeycomb of carbon atoms, is a typical two-dimensional material and has received great attention due to its remarkable properties. In 2004, professor Gavin and Professor Novoselev of the University of Manchester, UK, Years later, he was awarded the 2010 Nobel Prize.
이러한 그래핀은 강철보다 200배 이상 강하고, 다이아몬드보다 2배 이상 열전도율이 높으며, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하며, 실리콘보다 100배 이상 전자가 빠르게 움직일 수 있다. 그래핀의 이러한 기계적, 열적, 전기적 특성은 에너지 밴드갭이 없는 그래핀의 전자구조에서 기인하고 있다.These graphenes are more than 200 times stronger than steel, more than twice the thermal conductivity of diamond, more than 100 times more electricity than copper, and more than 100 times more electrons than silicon. This mechanical, thermal and electrical property of graphene is due to the electronic structure of graphene without energy bandgap.
그러나, 역설적으로 이러한 에너지 밴드갭이 없는 그래핀은 반도체가 아닌 준금속의 특성을 보이며, 전자산업의 핵심소자인 트랜지스터로의 상용화에 큰 장벽이 되고 있다.However, paradoxically, graphene, which does not have such an energy band gap, exhibits the characteristics of semi-metals rather than semiconductors, and is becoming a serious barrier to commercialization of transistors as a key element in the electronics industry.
따라서, 트랜지스터 응용을 위해 그래핀에 에너지 밴드갭을 만들 수 있는 그래핀 나노리본이나 그래핀 겹층에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔으나, 약 0.4eV의 제한적인 밴드갭 만이 가능하며, 밴드갭이 형성되면 이동도가 급격히 감소하는 문제가 있어 실질적인 응용에는 한계가 있는 상황이다.Therefore, studies on graphene nanoribbons or graphene layers capable of forming an energy bandgap in graphene for transistor applications have been actively conducted, but only a limited bandgap of about 0.4 eV is possible, and when a bandgap is formed There is a problem that the mobility decreases sharply and there is a limit to the practical application.
이러한 문제를 극복하기 위하여 연구자들은 그래핀 이외의 이차원 물질에 주목하기 시작하였으며, 그 가운데 최근 이황화몰리브덴(MOS2)에 대한 관심이 급증하고 있다.To overcome this problem, researchers have begun to pay attention to two-dimensional materials other than graphene, and recently interest in molybdenum disulfide (MOS 2 ) has increased rapidly.
일반적으로 전이금속 칼코겐화합물은 MX2의 화학식으로 표현되며, 여기서 M은 전이금속 원소(주기율표 4~6족)이고, X는 칼코겐 원소(주기율표 7족인 S, Se, Te)이다.In general, the transition metal chalcogen compound is represented by the formula of MX 2 , where M is a transition metal element (group 4 to 6 of the periodic table) and X is a chalcogen element (S, Se, Te,
이러한 전이금속 칼코겐화합물은 흑연과 유사한 층상구조를 가지며, 공유결합으로 이루어진 X-M-X층이 느슨한 반데르발스 결합으로 유지되고 있다. 이러한 전이금속 칼코겐화합물 가운데 현재 트랜지스터 응용을 위해 가장 활발히 연구가 진행되고 있는 물질은 이황화몰리브덴이다. 따라서, 최근 이황화몰리브덴의 합성 연구가 활발히 진행되고 있다.Such a transition metal chalcogen compound has a layered structure similar to graphite, and the X-M-X layer composed of covalent bonds is maintained as a loose van der Waals bond. Of these transition metal chalcogen compounds, molybdenum disulphide is the most active material currently under study for transistor applications. Therefore, recent studies on the synthesis of molybdenum disulfide are actively proceeding.
이황화몰리브덴은 자연에 존재하는 매장량이 풍부하여 몰리브덴 금속 제련용 원광석으로 주로 사용되며, 결정구조의 특성으로 인해 자동차용 고체 윤활제 및 석유화학 탈황 공정의 촉매 등으로도 널리 사용되고 있다(대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-0162553호, 등록번호 10-0137471호, 등록번호 10-0244007).Molybdenum disulfide is widely used as a raw ore for molybdenum metal smelting due to its abundant natural reserves, and is widely used as a solid lubricant for automobiles and as a catalyst for petrochemical desulfurization processes due to its crystalline structure (Korean Patent Publication Registration No. 10-0162553, Registration No. 10-0137471, Registration No. 10-0244007).
또한, 이황화몰리브덴은 에너지 밴드갭을 가지는 반도체이나 상기와 같이 마찰 특성에 대해서는 그 동안 많은 연구가 진행되어 온 반면, 전기적인 특성에 대한 연구는 최근에 와서야 활발히 진행 중이다.In addition, molybdenum disulfide is a semiconductor having an energy band gap. However, as described above, much research has been conducted on the friction characteristics, while studies on the electrical characteristics have been actively conducted in recent years.
자연적으로 존재하는 이황화몰리브덴은 대부분 n-형 도핑이 되어 있는 것으로 알려져 있으며, 층상구조를 갖는 이황화몰리브덴의 결정구조로 인해 전기전도도가 결정 방향에 따라 큰 차이를 보이고 있다.Most of the naturally occurring molybdenum disulfide is known to be n-type doped, and the electric conductivity varies greatly depending on the crystal orientation due to the crystal structure of the layered molybdenum disulfide.
단결정 덩어리 형태의 이황화몰리브덴은 약 1.3eV의 간접 밴드갭을 가지며, 상온에서 약 50~200cm2/Vs의 이동도를 갖는 것으로 알려져 있어 트랜지스터 응용에 큰 장점으로 작용하며, 천이 밴드갭(direct bandgap)을 갖는 단층 전이금속 칼코겐화합물로 광전자 소자에도 유용할 것으로 기대된다.Molybdenum disulfide in the form of a single crystal lump has an indirect bandgap of about 1.3 eV and is known to have a mobility of about 50 to 200 cm 2 / Vs at room temperature, which is a great advantage for transistor applications, and a direct bandgap Lt; RTI ID = 0.0 > chalcogen < / RTI >
한편, 전자회로에서 스위치 역할을 하는 트랜지스터는 전자산업의 핵심소자로 컴퓨터, 휴대전화, LCD, OLED의 평판 디스플레이 등의 다양한 제품에서 사용되고 있다.On the other hand, a transistor serving as a switch in an electronic circuit is a key element in the electronics industry, and is used in various products such as computers, mobile phones, LCDs, and flat panel displays of OLEDs.
특히, 평판 디스플레이에는 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘을 이용한 박막트랜지스터가 주로 사용되고 있으나, 비정질 실리콘은 이동도가 낮으며(1cm2/Vs) 다결정 실리콘은 대면적화가 어려운 단점이 있다.In particular, thin film transistors using amorphous silicon or polycrystalline silicon are mainly used for flat panel displays, but amorphous silicon has a low mobility (1 cm 2 / Vs) and polycrystalline silicon has a disadvantage that it is difficult to increase the area.
디스플레이의 작동 속도는 트랜지스터의 이동도와 밀접한 관련이 있으며, 향후 고화질 평판 디스플레이 및 구부려지는 플렉시블 디스플레이의 구현을 위해서는 속도가 빠르고(이동도 약 50cm2/Vs), 소비전력이 적은 반도체 재료가 필요하다.The operating speed of the display is closely related to the mobility of the transistor. In order to realize a high-definition flat panel display and flexible display in the future, a semiconductor material with a high speed (movement of about 50 cm 2 / Vs) and low power consumption is required.
이를 위해 산화물 반도체 등을 이용한 트랜지스터 연구가 활발하나 이동도(약 10 cm2/Vs)와 소비전력이 산업계의 요구에는 미치지 못하고 있는 실정이다.For this purpose, transistor research using oxide semiconductors and the like is active, but the mobility (about 10 cm 2 / Vs) and power consumption have not reached the demand of the industry.
이러한 관점에서 1.3eV의 간접 밴드갭을 가지며, 상온에서 높은 이동도(50~200cm2/Vs)를 갖는 이황화몰리브덴은 고화질 디스플레이의 차세대 트랜지스터 재료로 각광받고 있다.From this point of view, molybdenum disulfide having an indirect bandgap of 1.3 eV and high mobility (50 to 200 cm 2 / Vs) at room temperature is attracting attention as a next-generation transistor material for high-definition displays.
현재, 대부분의 이황화몰리브덴 증착법은 기계적 박리법에 의해 단결정에서 분리한 수~수십㎛ 크기의 단층 이황화몰리브덴 조각을 이용하여 진행되고 있다. 이 방법은 고품질의 이차원 단결정을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 대면적 성장이 불가능한 한계를 가지고 있다.Currently, most of the molybdenum disulfide vapor deposition method is carried out using a single layer of molybdenum disulfide discrete with a size of several to several tens of micrometers separated from a single crystal by a mechanical stripping method. This method has the advantage of obtaining a high-quality two-dimensional single crystal, but it has a limitation that large-area growth is impossible.
따라서, 이를 극복하기 위하여 크게 두 가지 방식이 제안되고 있다.Therefore, in order to overcome this problem, two methods have been proposed.
우선, 기계적 박리법 대신 액체 내에서 리튬이온 또는 초음파를 이용한 박리법으로 잉크 형태의 이황화몰리브덴을 제조하고 대면적 기판 위에 적용하는 방법이다. 상대적으로 저비용으로 대량 생산이 가능한 장점이 있으나, 리튬이온의 가연성 및 희소성, 그리고 잉크 내 이황화몰리브덴 조각의 두께 불균일성 등의 단점이 있다.First, molybdenum disulfide in the form of ink is prepared by a stripping method using lithium ions or ultrasonic waves in a liquid instead of the mechanical stripping method, and applied onto a large-area substrate. There are disadvantages such as flammability and scarcity of lithium ion, thickness irregularity of molybdenum disulfide pieces in ink, and the like, although they are advantageous in mass production at relatively low cost.
두 번째는 화학기상증착법을 이용한 대면적 증착방법이다. 화학기상증착법은 기존의 반도체 산업에서 많이 사용하는 유용한 증착법의 하나이며 산업적으로 매우 큰 영향을 줄 수 있는 방법이나, 이황화몰리브덴의 단층 증착에는 상당한 어려움이 있다.The second is the large-area deposition method using the chemical vapor deposition method. The chemical vapor deposition method is one of the useful deposition methods widely used in the conventional semiconductor industry, and has a great effect on the industrial scale. However, there is considerable difficulty in the monolayer deposition of molybdenum disulfide.
본 발명은 전기도금 공정을 이용하여 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 형성하여, 대면적, 고품질의 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 얻을 수 있는 합성 방법 및 이에 의해 제조된 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 이용한 트랜지스터의 제공을 그 목적으로 한다.The present invention relates to a method of forming a self-controlled molybdenum disulfide monolayer using an electroplating process to obtain a monolayer, high quality self-controlled molybdenum disulfide monolayer, and a self-controlled molybdenum disulfide monolayer The purpose of that is to provide.
상기 목적 달성을 위해 본 발명은, 전기도금 공정을 이용하여 음극에 자기제어 이황화몰리브덴(MoS2) 단일층(self controlled MoS2 single layer)을 증착시키는 제1단계와, 상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 증착 후 상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 결정화하는 제2단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전기도금 공정을 이용한 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 합성 방법 및 이에 의해 제조된 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 이용한 트랜지스터를 기술적 요지로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a self-controlled molybdenum disulfide (MoS 2 ) single layer (self-controlled MoS 2 and a second step of crystallizing the self-controlled molybdenum disulfide monolayer after deposition of the self-controlled molybdenum disulfide monolayer. The electrodeposition process of
또한, 상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 두께는, 0.5nm~1nm인 것이 바람직하다.The thickness of the self-controlled molybdenum disulfide single layer is preferably 0.5 nm to 1 nm.
또한, 상기 제1단계의 전기도금 공정의 도금액은, MoS4 이온 또는 MoS2 이온을 포함하는 용액이거나, Mo 이온 및 S 이온을 포함하는 용액을 사용하며, 또한, 상기 제1단계의 전기도금 공정의 도금액은, 사황화몰리브덴산 암모늄((NH4)2MoS4) 용액을 사용하는 것이 바람직하다.The plating solution of the electroplating process in the first step may be a solution containing MoS 4 ions or MoS 2 ions or a solution containing Mo ions and S ions, It is preferable to use a solution of ammonium molybdosulphonate ((NH 4 ) 2 MoS 4 ).
또한, 상기 제2단계는, 열처리에 의해 상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 결정화시키는 것이 바람직하며, 상기 열처리는 450℃~550℃에서 30분~1시간 30분 동안 1차열처리를 수행하고, 950℃~1050℃에서 20분~40분 동안 2차열처리를 수행하는 것이 바람직하다.Preferably, the second step is a step of crystallizing the self-controlled molybdenum disulfide monolayer by heat treatment, and the heat treatment is performed by performing a first heat treatment at 450 ° C. to 550 ° C. for 30 minutes to 1 hour and 30 minutes, Deg.] C to 1050 [deg.] C for 20 minutes to 40 minutes.
또한, 상기 제2단계는, 레이저처리, 플라즈마처리 및 가압처리 중 어느 하나의 방법에 의해 상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 결정화시키는 것이 바람직하다.In the second step, it is preferable that the self-controlled molybdenum disulfide monolayer is crystallized by any one of laser treatment, plasma treatment and pressure treatment.
또한, 상기 제1단계의 음극에는 희생층을 먼저 형성한 후 전기도금 공정을 실시하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that a sacrificial layer is first formed on the negative electrode of the first step and then an electroplating process is performed.
여기에서, 상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층은 사파이어(Al2O3) 기판 또는 실리카(SiO2)/실리콘(Si) 기판에 전사(transfer)시켜 사용하는 것이 바람직하다.Here, the self-controlled molybdenum disulfide single layer is preferably transferred to a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate or a silica (SiO 2 ) / silicon (Si) substrate.
본 발명은 기존의 단일층(single layer) 형성방법이 아닌 전기도금 공정에 의해 자기제어 방식으로 이황화몰리브덴 단일층이 합성되도록 하여, 저비용으로 이황화몰리브덴 단일층을 용이하게 구현할 수 있으며, 균일도가 개선되어 대면적, 고품질의 이황화몰리브덴 단일층을 제공할 수 있는 효과가 있다.In the present invention, a single layer of molybdenum disulfide is synthesized in a self-controlled manner by an electroplating process rather than a conventional single layer forming method, so that a single layer of molybdenum disulfide can be easily implemented at low cost and uniformity is improved It is possible to provide a single layer of a large-area, high-quality molybdenum disulfide.
이에 의해 전기적 특성이 우수한 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 얻을 수 있으며, 트랜지스터 재료로써 사용가능하여 차세대 디스플레이 소재로 기대된다.As a result, a monolayer of self-controlled molybdenum disulfide having excellent electrical characteristics can be obtained, and it can be used as a transistor material, which is expected as a next-generation display material.
도 1 - 본 발명에 따른 전기도금 공정에 대한 모식도.
도 2 - 일반적인 전기도금 공정(도 2(a))과 본 발명에 따른 전기도금 공정(도 2(b))을 나타낸 모식도.
도 3 - 도금 바이어스 변화에 따른 전류 변화 그래프를 나타낸 도.
도 4 - 도금 시간에 따른 전류 변화 그래프를 나타낸 도.
도 5 - 도금 바이어스 변화에 따른 전체 이온 변화 그래프를 나타낸 도.
도 6 및 도 7 - 본 발명에 따라 합성된 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 XPS 데이타를 나타낸 도. 1 is a schematic diagram of an electroplating process according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a general electroplating process (FIG. 2 (a)) and an electroplating process (FIG. 2 (b)) according to the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a current change graph according to a change in plating bias; FIG.
Fig. 4 is a graph showing current change according to plating time. Fig.
5 is a graph showing a total ion change according to a change in plating bias;
6 and 7 are diagrams showing XPS data of a self-controlled molybdenum disulfide monolayer synthesized according to the present invention.
본 발명은 단일층 이황화몰리브덴의 합성 방법에 관한 것으로서, 전기도금 공정을 이용하여 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 형성하여, 대면적 고품질의 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 얻을 수 있는 합성 방법 및 이에 의해 제조된 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 이용한 트랜지스터에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of synthesizing a monolayer molybdenum disulfide, which comprises forming a monolayer of self-controlled molybdenum disulfide using an electroplating process to obtain a monolayer of high quality self-controlled molybdenum disulfide with a large area, To a transistor using a self-controlled molybdenum disulfide monolayer.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 전기도금 공정을 이용한 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 합성 방법은 전기도금 공정을 이용하여 음극에 자기제어 이황화몰리브덴(MoS2) 단일층(self controlled MoS2 single layer)을 증착시키는 제1단계와, 상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 증착 후 상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 결정화하는 제2단계를 포함하여 구성된다.A method for preparing a monolayer disilicate molybdenum layer using an electroplating process according to the present invention comprises forming a self-controlled molybdenum disulfide (MoS 2 ) monolayer (self-controlled MoS 2 and a second step of crystallizing the self-controlled molybdenum disulfide monolayer after deposition of the self-controlled molybdenum disulfide monolayer.
이렇게 얻은 자기제어 이황화몰리브덴 단일층은 S-Mo-S의 구조를 가지며, 두께는 0.5nm~1nm로 형성된다.The monolayer of self-controlled molybdenum disulfide thus obtained has a structure of S-Mo-S and has a thickness of 0.5 nm to 1 nm.
먼저, 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 증착시키기 위해서 전기도금 공정을 실시한다. 도 1은 본 발명에 따른 전기도금 공정에 대한 모식도를 나타낸 것이다.First, an electroplating process is performed to deposit a monolayer of self-controlled molybdenum disulfide. 1 is a schematic view of an electroplating process according to the present invention.
도시된 바와 같이, 도금하고자 하는 금속을 음극으로 하고 그 대향면에 양극을 위치시킨 후, 이황화몰리브덴의 이온을 함유하는 도금액 내에 상기 음극과 양극을 위치시킨 후 도금전원부에서 전압을 인가하는 것에 의해 음극에 이황화몰리브덴이 합성되도록 하는 것이다.As shown in the drawing, the metal to be plated is used as a negative electrode, the positive electrode is positioned on the opposite side, and the negative electrode and the positive electrode are positioned in a plating solution containing ions of molybdenum disulfide. To synthesize molybdenum disulfide.
여기에서, 상기 전기도금 공정에서의 도금액은, MoS4 이온 또는 MoS2 이온을 포함하는 용액이거나, Mo 이온 및 S 이온을 포함하는 용액을 사용한다.Here, the plating solution in the electroplating process may be a solution containing MoS 4 ions or MoS 2 ions, or a solution containing Mo ions and S ions.
또한, 상기 전기도금 공정에서의 도금액은 사황화몰리브덴산 암모늄((NH4)2MoS4)을 용해한 용액을 사용한다. (NH4)2MoS4 용액은 이온상태의 2NH4 +와 MoS4 2-로 해리되고, 환원반응에 의해 MoS2가 생성되도록 한다.In the electroplating step, a solution obtained by dissolving ammonium molybdosulphonate ((NH 4 ) 2 MoS 4 ) is used. (NH 4 ) 2 MoS 4 solution is dissociated into 2NH 4 + and MoS 4 2- in the ionic state, and MoS 2 is produced by the reduction reaction.
여기에서, 전기도금 공정을 수행하기 위한 전압은 도금액의 농도, 음극과 양극의 면적 등에 따라 적절히 조절하여 도금 속도를 제어할 수 있으며, 전압값은 최소한 문턱 전압값은 넘어야 하며, 자기제어 이황화몰리브덴 단일층 형성 후에는 아무리 높은 전압을 인가하더라도 더 이상의 이황화몰리브덴의 증착이 이루어지지 않게 되므로, 실험자는 작업 환경을 고려하여 적절한 범위 내의 전압값으로 셋팅되도록 한다.Here, the voltage for performing the electroplating process can be controlled by adjusting the plating solution in accordance with the concentration of the plating solution, the area of the cathode and the anode, etc. The voltage value should be at least above the threshold voltage value and the magnetic control molybdenum disulfide After the formation of the layer, deposition of further molybdenum disulfide is not carried out even when a high voltage is applied, so that the experimenter sets the voltage value within an appropriate range in consideration of the working environment.
도 2는 일반적인 전기도금 공정(도 2(a))과 본 발명에 따른 전기도금 공정(도 2(b))을 나타낸 모식도이다.Fig. 2 is a schematic diagram showing a general electroplating process (Fig. 2 (a)) and an electroplating process (Fig. 2 (b)) according to the present invention.
도 2(a)에 도시된 바와 같이, Ni를 전기도금 하고자 하는 경우, 도금액 속의 Ni+ 이온이 지속적으로 음극에서 환원되어 Ni 도금층을 형성하게 된다. 그러나 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 도금액 속의 MoS2 + 이온이 음극에서 환원되어 MoS2로 환원되어 단일층을 형성하고 난 후, 더 이상의 MoS2의 합성은 이루어지지 않는다. 이는 MoS2가 메탈 특성이 없기 때문으로 보이며, 특정 전압 이상의 값이 인가되더라도, 전자가 다음층의 MoS2 + 이온에는 도달하지 못하기 때문인 것으로 분석된다.As shown in FIG. 2 (a), when Ni is to be electroplated, Ni + ions in the plating solution are continuously reduced at the negative electrode to form a Ni plating layer. However, as shown in Fig. 2 (b), after the MoS 2 + ions in the plating solution are reduced at the cathode and reduced to MoS 2 to form a single layer, further synthesis of MoS 2 is not achieved. This is because the MoS 2 seems to be due to the absence of the metal property and it is analyzed that the electrons can not reach the MoS 2 + ion of the next layer even if a value higher than a certain voltage is applied.
즉, 이황화몰리브덴의 단일층(single layer)을 형성하기 위해 실험자가 외부 조건 등을 조절하는 것이 아니라, 이황화몰리브덴 단일층이 음극에서 전기도금 공정으로 합성되기만 하면 더 이상의 이황화몰리브덴이 합성되지 않는 것이다. 이러한 의미에서 이황화몰리브덴 단일층은 자기제어(self controlled)되어 형성되는 것이다.That is, the molybdenum disulfide is not synthesized if the monolayer disulfide monolayer is synthesized from an anode by an electroplating process, rather than controlling the external conditions to form a single layer of molybdenum disulfide. In this sense, the single layer of molybdenum disulfide is self-controlled and formed.
이와 같이 전기도금 공정을 이용한 이황화몰리브덴 단일층은 일반적으로 비결정화 상태로 합성되게 되며, 결정화 공정을 더 거침으로써 결정화 상태의 이황화몰리브덴 단일층을 얻게 되는 것이다.The molybdenum disulfide monolayer using the electroplating process is generally synthesized in an amorphous state, and a single layer of crystallized molybdenum disulfide is obtained by further performing a crystallization process.
상기 결정화 공정은 열처리에 의해 이루어지게 되며, 바람직하게는 1차열처리 및 2차열처리로 이루어진 2단계의 열처리 공정을 수행한다.The crystallization process is performed by a heat treatment, and preferably, a two-step heat treatment process including a primary heat treatment and a secondary heat treatment is performed.
더욱 구체적으로는, 아르곤 및 수소 가스 분위기에서 450℃~550℃에서 30분~1시간 30분 동안 1차열처리를 수행하고, 아르곤 가스 분위기에서 950℃~1050℃에서 20분~40분 동안 2차열처리를 수행한다.More specifically, the first heat treatment is performed in an argon and hydrogen gas atmosphere at 450 ° C. to 550 ° C. for 30 minutes to 1 hour and 30 minutes, and the second heat treatment is performed in an argon gas atmosphere at 950 ° C. to 1050 ° C. for 20 minutes to 40 minutes Heat treatment is performed.
바람직하게는 아르곤 및 수소 가스 분위기에서 1Torr, 500℃, 1시간 동안 1차열처리를 수행하고, 아르곤 가스 분위기에서 500Torr, 1000℃, 30분 동안 2차열처리를 수행하면 비결정화 상태의 이황화몰리브덴 단일층은 결정화 상태로 변화되게 된다.Preferably, the first heat treatment is performed in an argon and hydrogen gas atmosphere at 1 Torr and 500 占 폚 for 1 hour, and the second heat treatment is performed at 500 Torr and 1000 占 폚 for 30 minutes in an argon gas atmosphere to form an amorphous molybdenum disulfide monolayer Is changed to a crystallized state.
여기에서, 결정화 공정은 상기 열처리에 의한 것뿐만 아니라, 레이저처리, 플라즈마처리 및 가압처리 중 어느 하나의 방법에 의해 상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 결정화시킬 수도 있다.Here, the crystallization step may crystallize the self-controlled molybdenum disulfide monolayer by any one of laser treatment, plasma treatment and pressure treatment as well as by the heat treatment.
이러한 결정화 공정은 이황화몰리브덴 단일층의 저항을 낮추어 전기적 특성을 더욱 향상시키게 된다.This crystallization process further improves the electrical properties by lowering the resistance of the single layer of molybdenum disulfide.
한편, 본 발명에 따른 자기제어 이황화몰리브덴 단일층은, 음극 상에 합성되거나, 음극으로 사용되는 기판 상에 합성될 수 있다. 여기에서 기판은 전도성 기판이 바람직할 것이다.Meanwhile, the self-controlled molybdenum disulfide monolayer according to the present invention can be synthesized on a cathode or synthesized on a substrate used as a cathode. Here, the substrate is preferably a conductive substrate.
음극 상에 합성되는 경우에는 음극 상에 희생층을 먼저 형성한 후 전기도금 공정을 수행하는 것이 바람직하다. 상기 희생층은 합성된 이황화몰리브덴 단일층을 음극으로부터 용이하게 분리하기 위한 것으로서, 식각 선택비가 높은 물질을 사용하며, 전기도금도 이루어져야 하므로 음극에 비해 반응성이 높은 금속 재료로 형성된다. 예를 들어 알루미늄(Al), 아연(Zn)과 같은 금속을 먼저 음극에 형성한 후 전기도금을 실시한다.When it is synthesized on the cathode, it is preferable to form the sacrificial layer on the cathode first and then perform the electroplating process. The sacrificial layer is used for easily separating the synthesized molybdenum disulfide single layer from the negative electrode. The sacrificial layer is formed of a metal material having a higher etching selectivity ratio than the negative electrode and needs to be electroplated. For example, a metal such as aluminum (Al) or zinc (Zn) is first formed on a negative electrode, followed by electroplating.
그 후, 황산 등으로 희생층을 식각하여 이황화몰리브덴 단일층을 음극으로부터 분리하고, 이를 기판 상에 라미네이팅하여 실제 전기전자 소자의 트랜지스터의 재료로 사용할 수 있다. 즉, 기판 상에 이황화몰리브덴 단일층을 형성하고, 소스와 드레인 전극을 형성한 후, 그 상층에 게이트 전극을 형성하여 트랜지스터를 제공하게 된다.Thereafter, the sacrificial layer is etched with sulfuric acid or the like to separate the single layer of molybdenum disulfide from the negative electrode, and this laminate is laminated on the substrate to be used as a material of a transistor of an actual electric and electronic element. That is, a single layer of molybdenum disulfide is formed on a substrate, a source electrode and a drain electrode are formed, and then a gate electrode is formed on the source and drain electrodes, thereby providing a transistor.
또한, 상기 희생층 상에 기판을 올려놓고, 식각 공정을 수행하면 희생층이 식각되어 기판 상에 자연스럽게 전사되도록 할 수 있다. 이 경우 기판 상에 접착층을 더 형성할 수도 있다.In addition, when the substrate is placed on the sacrificial layer and an etching process is performed, the sacrificial layer may be etched and transferred naturally on the substrate. In this case, an adhesive layer may be further formed on the substrate.
본 발명에 사용되는 기판은 사파이어(Al2O3) 기판 또는 실리카(SiO2)/실리콘(Si) 기판을 사용하며, 이황화몰리브덴 단일층의 전사(transfer) 또는 라미네이팅 공정에 의해 기판 상에 이황화몰리브덴 단일층을 형성한다.The substrate used in the present invention may be a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate or a silica (SiO 2 ) / silicon (Si) substrate and may be formed by a molybdenum disulfide single layer transfer or laminating process, To form a single layer.
이렇게 제작된 이황화몰리브덴 단일층은 이동도가 약 200cm2/Vs을 나타내었고, 천이 밴드갭(direct bandgap)은 1.79~1.81eV, 바람직하게는 1.8eV(벌크 상태에서는 1.2eV), 온오프비(On-off ratio)는 108보다 큰 값을 가지므로, 전기적 특성이 우수하였다.The molybdenum disulfide single layer thus produced exhibited a mobility of about 200 cm 2 / Vs and a direct bandgap of 1.79 to 1.81 eV, preferably 1.8 eV (1.2 eV in the bulk state) and an on-off ratio On-off ratio) was higher than 108, so that the electrical characteristics were excellent.
또한, 이황화몰리브덴 단일층은 S-Mo-S의 구조를 가지게 되는데, S가 p타입 거동을 하고, Mo가 n타입 거동을 하는 것으로 알려져, 마치 p-n졍션(junction)의 역할을 수행하게 되어, 상기의 우수한 전기적 특성과 함께 이황화몰리브덴 단일층은 전기전자 소자에서의 트랜지스터 재료로써 충분히 활용될 수 있을 것이다.
The molybdenum disulfide monolayer has a structure of S-Mo-S. It is known that S acts as a p-type and Mo acts as an n-type behavior. As a result, Mo plays a role of a junction, The molybdenum disulfide monolayer can be fully utilized as a transistor material in an electric and electronic device.
이하에서는 본 발명의 작용, 효과에 대해 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the operation and effect of the present invention will be described in more detail.
도 3은 도금 바이어스 변화에 따른 전류 변화 그래프를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이, 초기에는 많은 양의 이온이 흐른 것을 알 수 있으나, 시간이 지날수록 이온이 전혀 흐르지 않음을 알 수 있었다. 이는 어느 정도 도금이 완료되면 전압이 아무리 높아도 더 이상의 도금 공정이 진행되지 않음을 확인할 수 있었다. 본 실험에서의 도금 바이어스는 1.5V~2V 정도가 적당하다.FIG. 3 is a graph showing a current change according to a change in the plating bias. As shown in FIG. 3, it can be seen that a large amount of ions flow at the beginning, but no ions flow at all over time. It can be confirmed that the plating process is not proceeded no matter how high the voltage is when the plating is completed to some extent. The plating bias in this experiment is suitably about 1.5V to 2V.
도 4는 도금 시간에 따른 전류 변화 그래프를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이, 초기에는 많은 양의 이온이 흐른 것을 알 수 있으나, 시간이 지나면 전류가 전혀 흐르지 않음을 알 수 있다. 이는 어느 정도 도금이 완료되면 시간이 아무리 많이 지나도 더 이상의 도금 공정이 진행되지 않음을 확인할 수 있었다.FIG. 4 shows a graph of current change with plating time. As shown in FIG. 4, it can be seen that a large amount of ions flow at the beginning, but no current flows at all over time. It can be confirmed that after the plating is completed to some extent, the plating process does not proceed any longer even if the time is long.
도 5는 도금 바이어스 변화에 따른 전체 이온 변화 그래프를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이, 일정 시간이 지나도 이온 변화량은 거의 없는 것으로 확인할 수 있었다.FIG. 5 is a graph showing a total ion change according to the plating bias change. As shown in FIG.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따라 합성된 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 XPS 데이타를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, Mo 피크와 S 피크가 관찰됨이 확인되었으며, 이에 의해 단일층의 이황화몰리브덴이 합성되었음을 확인할 수 있었다.
FIGS. 6 and 7 show XPS data of a self-controlled molybdenum disulfide single layer synthesized according to the present invention. As shown in the figure, it was confirmed that Mo peak and S peak were observed, and it was confirmed that monolayer molybdenum disulfide was synthesized.
이와 같이 본 발명은 기존의 단일층(single layer) 형성방법이 아닌 전기도금 공정에 의해 자기제어 방식으로 이황화몰리브덴 단일층이 합성되도록 하여, 저비용으로 이황화몰리브덴 단일층을 용이하게 구현할 수 있으며, 균일도가 개선되어 대면적, 고품질의 이황화몰리브덴 단일층을 제공할 수 있다.As described above, according to the present invention, a single layer of molybdenum disulfide can be synthesized in a self-controlled manner by an electroplating process, rather than a conventional single layer forming method, so that a single layer of molybdenum disulfide can be easily realized at low cost, It is possible to provide a single layer of a large-area, high-quality molybdenum disulfide.
이에 의해 전기적 특성이 우수한 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 얻을 수 있으며, 트랜지스터 재료로써 사용가능하여 차세대 디스플레이 소재로 기대된다.As a result, a monolayer of self-controlled molybdenum disulfide having excellent electrical characteristics can be obtained, and it can be used as a transistor material, which is expected as a next-generation display material.
100 : 자기제어 이황화몰리브덴 단일층
200 : 음극 201 : 양극
300 : 도금전원부 400 : 도금액100: Self-controlled molybdenum disulfide monolayer
200: cathode 201: anode
300: plating power supply unit 400: plating liquid
Claims (10)
상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 증착 후, 열처리에 의해 상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 결정화하는 제2단계;를 포함하여 구성되되,
상기 제1단계의 음극에는 식각 선택비가 높고, 상기 음극에 비해 반응성이 상대적으로 높은 희생층을 먼저 형성한 후 전기도금 공정을 실시하며,
상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층은 기판 상에 전사(transfer) 또는 라미네이팅되는 것을 특징으로 하는 전기도금 공정을 이용한 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 합성 방법.A first step of depositing a self-controlled molybdenum disulfide (MoS 2 ) single layer (self-controlled MoS 2 single layer) having a thickness of 0.5 nm to 1 nm on a cathode using an electroplating process;
And a second step of crystallizing the self-controlled molybdenum disulfide monolayer by heat treatment after deposition of the self-controlled molybdenum disulfide monolayer,
A sacrificial layer having a relatively high etching selectivity ratio and relatively higher reactivity than the negative electrode is formed on the negative electrode of the first step, and then an electroplating process is performed,
Wherein the self-controlled molybdenum disulfide monolayer is transferred or laminated onto a substrate. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
MoS4 이온 또는 MoS2 이온을 포함하는 용액이거나,
Mo 이온 및 S 이온을 포함하는 용액인 것을 특징으로 하는 전기도금 공정을 이용한 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 합성 방법.The plating method according to claim 1,
A solution containing MoS 4 ions or MoS 2 ions,
Wherein the molybdenum disulfide monolayer is a solution containing Mo ions and S ions.
사황화몰리브덴산 암모늄((NH4)2MoS4) 용액인 것을 특징으로 하는 전기도금 공정을 이용한 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 합성 방법.The plating method according to claim 1,
Wherein the molybdenum disulfide monolayer is a solution of ammonium molybdenum disulfide ((NH 4 ) 2 MoS 4 ).
450℃~550℃에서 30분~1시간 동안 1차열처리를 수행하고, 950℃~1050℃에서 20분~40분 동안 2차열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 합성 방법.The method of claim 1, wherein the heat treatment
Characterized in that a first heat treatment is carried out at 450 ° C to 550 ° C for 30 minutes to 1 hour and a second heat treatment is carried out at 950 ° C to 1050 ° C for 20 minutes to 40 minutes to obtain a monolithic molybdenum disulfide single layer .
레이저처리, 플라즈마처리 및 가압처리 중 어느 하나의 방법에 의해 상기 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 결정화시키는 것을 특징으로 하는 전기도금 공정을 이용한 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 합성 방법.2. The method according to claim 1,
Wherein the molybdenum disulfide monolayer is crystallized by any one of a laser treatment, a plasma treatment, and a pressurizing treatment.
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