나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 수저우(蘇州) 나노기술 및 나노 바이오닉스 연구소 장카이(張凱) 연구팀은 후난(湖南) 대학교 판안롄(潘安練) 교수 연구팀, 선전(深圳) 대학교 장한(張晗) 교수 연구팀과 공동 연구를 수행하고 실리콘 등 유전체 기판(Dielectric substrate)에서 성장하는 높은 결정성 흑린(Black Phosphorus) 필름 개발에 성공함.

연구팀은 이번 연구를 통해 새로운 성장 전략을 수립하고 완충 층인 Au3SnP7을 핵(核)형성 점에 도입하고 흑린이 유전체 기판에 유도되게끔 하여 핵형성 성장을 실현하였음.

기존의 연구개발 성과 중 CVT 방법은 Au 혹은 AuSn을 전구체로 사용하여 흑린 결정체를 성장시켰는데 Au3SnP7은 중요한 중간 생성물 중의 하나임.

연구팀은 Au3SnP7로 흑린 핵형성을 유도하는 방법을 검토하였는데 그 원인은 주로 다음과 같은 두 가지가 있으며, 첫 번째 원인은 Au3SnP7이 흑린 성장 과정에서 매우 안정적으로 존재하고 있다는데 있으며, 두 번째 원인은 관련 (010) 면(面)의 인(phosphorus) 원자 배열과 흑린(100) 면은 매칭 되는 원자 구조를 보유하고 있다는데 있음.

연구팀은 기판에서 생성된 Au3SnP7를 이용하여 흑린 핵(核)형성과 성장을 제어하였는데 그 중 Au3SnP7의 형성은 Au 박막의 실리콘 기판과 적린(red phosphorus), Sn, SnI4 전구체는 모두 밀폐된 진공 튜브 속에서 가열을 통해 취득하였으며, 관련 형태는 일반적으로 실리콘 기판에 분산되어 있는 규칙적인 결정체 형태로서 사이즈는 수 백 나노 수준에 달하는 것으로 나타났음.

연구팀은 보온 과정 속에서 발생하는 P4 패스가 흑린 패스로 전환되는 동시에 Au3SnP7 완충 층상에서 에피택 핵 생성(epitaxial nucleation)이 실현될 것이라는 가설을 제시하였는데 동 가설은 고 해상도 단면 TEM 이미지에서 이미 입증된 상황이며, 흑린과 Au3SnP7이 질서 있게 공존하며, 흑린과 Au3SnP7 사이에는 원자 레벨의 매끈한 인터페이스를 보유하고 있다는 것이 입증됨.

지속적인 인 소스 공급 및 온도를 낮추는 과정 속에서 연구팀은 전이 상태의 흑린 나노 시트 생성물 및 실리콘 기판에서 흑린 나노 시트의 성장, 융합을 통해 최종적으로 표면이 매끈하고 깨끗한 흑린 연속 박막을 취득하는데 성공하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 대면적, 고품질 흑린 박막에 대한 제어 가능한 제조를 위해 새로운 루트를 제공하였으며, 하이플럭스 디바이스 통합(high flux device integration) 제조 및 신형 광전자 디바이스 개발 분야에서의 흑린의 폭넓은 응용을 추진할 수 있는 기술 기반을 구축하였음.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ ("Epitaxial nucleation and lateral growth of high-crystalline black phosphorus films on silicon")지에 게재됨.