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중국과학원 금속연구소 산하 "선양(瀋陽)소재과학국가연구센터" 소속 "선진탄(炭)소재연구부" 연구팀은 새로운 2차원 층상 MoSi2N4 소재류를 발견하였음.

그래핀을 대표로 하는 2차원 반데르발스(Van der Waals) 층상소재는 독특한 전자학, 광학, 역학, 열학 등의 특성이 있기 때문에 전자, 광전자, 에너지, 환경, 우주항공 등 분야에서 폭넓게 응용되고 있음.

현재 과학기술 연구분야에서 많이 연구되고 있는 2차원 층상소재, 예를 들면 그래핀, 질소화 붕소, 전이금속 유황족화합물, 흑린(黑磷) 올레핀 등은 모두 이미 알고 있는 3차원 모체(母體) 소재를 가지고 있으며, 존재하지 않는 3차원 모체 소재의 2차원 층상 소재에 대한 탐색은 2차원 소재의 물질특성과 응용을 확장할 수 있기 때문에 중요한 과학적 의미와 실용적 가치를 가짐.

지난 2015년도에 "선양(瀋陽)소재과학국가연구센터"의 런원차이(任文才), 청후이밍(成會明) 연구원 연구팀은 이중 금속기판 화학기상증착법(CVD)을 발명하고, 다른 구조를 가진 다양한 비(非) 층상 2차원 전이금속 탄소화물 결정체를 개발하였음. 예를 들면 정교(正交) Mo2C, 6방 WC와 입방 TaC가 포함되어 있으며, 연구팀은 이번 연구를 통해 초박(超薄) Mo2C를 2차원 초전도체로 사용할 수는 있지만 높은 표면 에너지 때문에 표면 현(悬) 결합이 많은 비(非) 층상 소재는 섬 형태 성장에 치우치는 경향을 보이고 있어 두께가 균일한 단일 소재로 제조하기 어려움.

연구팀은 CVD 성장의 비(非) 층상 2차원 질화 몰리브덴에 실리콘 원소를 도입하면 표면 현(悬) 결합을 둔화시켜 존재하지 않지만 이미 알고 있는 모체(母體) 소재의 새로운 2차원 반데르발스(Van der Waals) 층상 소재인 MoSi2N4를 개발하고 cm 레벨의 단일층 박막을 제조하였음, 단일층 MoSi2N4가 N-Si-N-Mo-N-Si-N 7개 원자층을 함유하고 있는데 2개의 Si-N층이 단일층인 MoN(N-Mo-N)를 끼워 구성되게끔 하였는데 이런 유사한 방법을 이용하여 연구팀은 단일층인 WSi2N4를 개발하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 단일층 MoSi2N4가 반도체 특성(밴드갭은 약 1.94 eV 수준에 달함)을 가지고 있는 동시에 MoS2보다 우수한 이론 캐리어 이송 비율을 가지고 있으며, MoS2보다 우수한 단일층 반도체 소재의 역학 강도와 안정성을 보이고 있음을 발견하였음.

연구팀은 이론계산을 통해 약 10종에 달하는 단일층 MoSi2N4와 동일 구조를 가진 2차원 층상소재 분석하였는데, 다른 밴드갭을 가진 반도체, 금속과 자성(磁性) 반(半) 금속 등이 포함되어 있음.

연구팀은 완전히 새로운 2차원 층상 MoSi2N4 소재 가족으로 확장시켰으며, 2차원 소재의 물질 특성과 응용을 확장시켰음. 완전히 새로운 반데르발스(Van der Waals) 층상소재를 개발하는 연구 방향을 확장시켰으며, 더욱 많은 신형 2차원 소재 개발을 위한 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Science’ ("Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4 materials") 지에 게재됨.