DGIST 대구경북과학기술원

- DGIST 양지웅·서울대 박정원 공동연구팀, 실시간 투과전자현미경 분석법을 이용하여 2D 반도체 나노입자의 상전이 과정 관찰 및 메커니즘 규명

- 재료과학분야 저명 국제학술지 ‘Advanced Science’에 논문 게재

 

 DGIST(총장 국양) 에너지공학과 양지웅 교수팀이 ‘실시간 투과전자현미경 분석법 등을 이용하여 반도체 양자 나노 결정의 상전이 메커니즘을’을 규명했다. 서울대학교(총장 유홍림) 화학생물공학부 박정원 교수와 공동연구를 통해 상전이 과정에서 일어나는 다양한 반응경로를 원자 수준에서 밝혀내면서, 온도 및 조성으로 제어하는 방안을 제시했다. 연구팀은 이번에 개발한 기술이 상용화될 경우 메모리 디바이스, 센서 등의 분야에서 디바이스 효율이 향상될 것으로 기대하고 있다.

 구조 물질의 고유 성질을 제어할 수 있는 상전이를 통한 결정상 제어는 메모리 디바이스, 센서, LED와 같은 미세 반도체 구조가 중요한 분야에서 활용하기 좋은 방법이다. 새로운 합성법을 통해 원하는 성질을 갖는 물질을 만드는 방법보다 잘 알려진 합성법으로 물질을 만든 후 상전이를 통해 물질의 성질을 필요에 따라 제어하여 활용하는 것이 효율적이기에, 최근에는 상전이를 이용하여 반도체 나노결정의 성질을 바꾸는 기술이 활발하게 연구되고 있다.

 나노입자의 상전이 메커니즘은 X선 회절 분석법, 분광분석법 등의 앙상블에 대한 평균적인 정보를 활용한 연구가 대부분이다. 하지만 상전이를 정확하게 제어하고 활용하기 위해서는 원자단위의 매커니즘을 정확하게 이해할 수 있어야 하는데, 기존 연구 방법으로는 반도체 나노입자가 상전이 중 발생하는 원자 수준의 변화와 그에 따른 여러 반응경로를 밝히기 어려웠다.

 이에 DGIST 양지웅 교수팀과 서울대학교 박정원 교수팀은 공동연구를 통해 ‘실시간 투과 전자현미경 분석법(In-situ transmission electron microscopy, In-situ TEM)’과 ‘밀도 범함수 이론(Density functional theory, DFT) 계산 방법’을 이용하여 새로운 상전이 매커니즘을 개발했다. 이를 이용하여 양자점 나노결정의 대표 물질인 카드뮴 셀레나이드(CdSe)의 상전이 메커니즘을 원자 수준에서 규명하고, 반응과정에서 일어나는 중간체의 형성 및 원자 배열의 변화를 정밀하게 밝혔다.

 특히 전자빔을 이용하여 높은 공간 해상도에서 선택적으로 상전이를 유도할 수 있다는 가능성을 제시했으며, 나아가 온도와 조성, 상전이의 상관관계를 밝혀 이전의 방법보다 더욱 정밀하게 상전이를 제어할 수 있음을 확인했다. 또한 상전이 과정에서 고체상임에도 도메인의 융합·분리와 같은 원자들의 역동적인 움직임을 포착하기도 하였다.

 DGIST 양지웅 교수는 “반도체 양자 나노결정의 상전이 과정을 원자 수준에서 관찰하면서 다양한 반응과정과 그 중간물을 확인하고, 온도와 조성, 상전이 간의 상관관계를 통해 양자 나노결정의 결정상 제어법을 밝혀낼 수 있었다”고 밝혔다. 서울대학교 박정원 교수는 “본 연구를 통해 반도체 나노 물질의 외부 자극에 의한 구조변화 과정을 정밀하게 규명할 수 있었는데, 향후 반도체 물질의 구조제어를 활용하여 다양한 디바이스에 응용되기를 기대한다”고 말했다.

 한편, 본 연구는 삼성미래기술육성센터 사업을 통해 수행했으며, 관련 연구 결과는 재료과학분야 저명 국제학술지인 ‘Advanced Science’에 3월 게재됐다.

 

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연구결과개요

Direct Observation of Off-Stoichiometry-Induced Phase Transformation of 2D CdSe Quantum Nanosheets

Hyeonjong Ma, Dongjun Kim, Soo Ik Park, Back kyu choi, Gisang Park, Hayeon Baek, Hyocheol Lee, Hyeongseoung Kim, Jong-Sung Yu, Won Chul Lee, Jungwon Park,* and Jiwoong Yang*

(Advanced Science, to be published on 3.3, 2023)

 

고체 결정의 구조는 물질의 에너지 밴드 구조, 기계적 성질 등의 물질의 고유한 특성을 결정한다. 이러한 관점에서 고체결정의 상전이는 메모리 디바이스, 센서 등에 사용되는 물질의 고유한 특성을 조절하는데 중요한 과정이 될 수 있다. 특히 결정의 크기가 감소함에 따라 상전이가 용이해지기 때문에, 작은 나노입자에서 더 잘 일어날 수 있다. 하지만 나노입자의 상전이에 관한 근본적 메커니즘에 대한 이해가 부족한 상황이다. 실시간 X선 회절 분석법 (X-ray diffraction, XRD) 및 분광 분석법은 앙상블의 평균화된 정보만을 제공하기 때문에, 여러 현상이 다양하게 발생할 수 있는 나노입자의 상전이 과정에서 제한된 정보만을 제공할 수 있었다. 실시간 투과전자현미경 분석법을 이용하면 나노입자의 변화를 실시간으로 직접 관찰할 수 있기 때문에, 반응과정에서 존재하는 개별적인 반응경로를 원자단위에서 규명하는데 용이하다. 하지만 상전이 과정에 대한 연구는 주로 온도 및 전기적 제어에 의한 상전이에 국한되어왔다.

양자점 반도체 나노결정은 크기와 모양에 따라 달라지는 에너지 밴드 구조을 가지고 광특성이 좋아 많은 연구가 진행되어왔다. CdSe와 같은 Ⅱ-Ⅵ 족 나노결정들이 그 대표적인 예이다. CdSe 나노결정은 크기와 모양의 조절이 가능한 합성법이 잘 개발되어 있으며, 실험조건에 따라 달라지는 결정구조에 대한 연구도 많이 이루어졌다. 하지만 상전이에 과정에 대한 이해는 부족했었다.

본 연구는 초고해상도의 실시간 투과전자현미경 분석법을 사용하여 조성제어를 통한 CdSe 2D 양자점 나노시트의 상전이 과정을 관찰하였다. 전자빔을 이용하여 Se 원자들만 선택적으로 표면에서 제거하는데 성공하였고, 이를 통해 wurtzite 구조에서 zinc blende 구조로 상전이를 유도하였다. 밀도 범함수 이론 (Density functional theory, DFT) 계산 결과는 표면에서의 조성변화에 의한 구조의 변화가 상전이를 유도할 수 있음을 보였다. 더하여 온도가 상전이에 미치는 영향도 함께 보여주어, 양자점 나노결정의 상전이에서는 온도와 조성이 종합적으로 고려되어야 함을 보였다. 그 과정에서 일어나는 도메인의 분리와 융합 과정을 관찰하기도 하였다.

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

본 연구는 실시간 투과전자현미경 (In-situ transmission electron microscopy, In-situ TEM) 분석 기술과 밀도범함수 이론(Density functional theory, DFT) 이론 계산을 기반으로 양자점 반도체 나노입자의 상전이 과정을 규명하고 그 메커니즘을 제시하였다. 기존의 연구들은 X선 회절분석법 (X-ray diffraction, XRD), 분광분석법 등을 이용하여 간접적이고 앙상블에 대한 평균적인 정보만을 가지고 나노입자의 변화를 보여주었다. 더하여 상전이를 유도하는 방법이 온도, 전기적 제어 등의 제한된 경로에 의존하였었다. 실시간 투과전자현미경 분석 기술을 이용한 본 연구는 나노입자의 상전이 과정을 원자 수준에서 관찰하고, 그 과정에서 동시에 발생하는 반응 경로들을 규명하였다. Wurtzite 구조의 CdSe 나노결정은 표면조성제어를 통해 zinc blende 구조로 상이 변화하였다. Zinc blende 구조의 형성은 Se이 제거된 결정성이 낮은 부분에서 시작되며, 결정의 여러 지점에서 반응이 동시에 일어났다. DFT 계산을 통하여 본 연구진이 제시한 상전이 경로가 열역학적으로 설명 가능하며, 그 과정에서의 원자 배열의 변화를 보일 수 있었다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

본 연구는 반도체 물질의 상변화를 선택적이고 높은 공간해상도로 유도할 수 있음을 보여주었다. 반도체 물질의 미세한 전기적, 기계적 특징의 제어가 요구되는 메모리 디바이스, 센서 등의 미세 패터닝에 응용될 수 있을 것이라 기대된다. 더하여 향후 나노입자의 반응에 관한 연구에서 원자수준에서의 구조적 변화를 이해하는데 도움을 주는 기초연구가 될 것이다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

이번 연구에서 개발된 기술이 상용화되기 위해서는 단위 시간당 높은 생산량이 요구되는 산업분야에 적합한 상전이 방법론 개발되어야 할 것이다. 본 연구를 통해 표면조성제어와 반도체물질의 특성제어에 관한 이해를 높여 실제 산업분야에의 적용을 앞당기고자 한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

최근 반도체 디바이스의 성능을 높이고자 다양한 미세패터닝 기법들이 연구되고 있다. 반도체는 구성하는 원소의 개수가 2개 이상이기 때문에, 원자 수준의 구조 변화에 대한 메커니즘 규명이 어려웠다. 실시간 투과전자현미경 분석법을 이용하여 반도체 물질의 상전이 과정에서 일어나는 원자수준의 변화를 보여줌으로써 반응경로를 제시하고자 하였다. 더하여 원하는 부분만 선택적으로 상전이를 유도할 수 있는 기술의 개발이 나노단위 수준의 패터닝을 요구로하는 여러 분야에 응용될 수 있으리라 생각하여 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

이번 연구는 실시간 투과전자현미경 분석법을 통해 반도체 양자 나노 결정의 상전이 과정을 원자수준에서 관찰하였다. 또한 온도 및 조성의 변화와 상전이의 상관관계를 보여주었다. 이를 통해 반도체 양자 나노 결정의 결정상 제어 방안을 제시 할 수 있었다. 나아가 원자 수준의 메커니즘을 규명함으로서 반도체 디바이스 산업 분야로의 적용에 이론적 가능성을 제시하였다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

본 연구를 바탕으로 나노입자의 반응에서 나타날 수 있는 다양한 반응경로를 밝히는 데 힘쓸 것이며, 이를 통해 원하는 특성을 가진 나노입자를 순도 높게 얻는 기술 개발에 기여하고자 한다.

 

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그림설명

[그림 1] 실시간 투과전자현미경 분석법을 이용해 관찰한 CdSe 나노시트의 상전이 과정

초고해상도로 관찰된 CdSe 나노시트의 상전이 과정 (위) 및 해당 과정의 고속 푸리에 역변환 이미지 (아래)

[그림 2] 상전이 과정에서 관찰된 역동적인 현상들

도메인 분리 (위) 및 도메인 방향 보정/융합 (아래) 과정들의 실시간 투과전자현미경 이미지들

[그림 3] 실험적·이론적 분석을 통해 제안된 상전이 메커니즘의 모식도