Raman scattering studies of ultrathin MoS₂

Abstract

Raman scattering 분광은 대표적인 비 파괴적 광학 물성 측정법의 하나로 이 실험을 통해서 물질 내 고체 결정의 진동(phonon), 전자 여기상태(excitation) 등의 기본 여기상태(elementary excitation)의 에너지와 감(damping) 특성을 온도, 압력 등 외부조건 변화의 함수로 고찰할 수 있다. 각각의 여기상태들은 순서대로 격자구조, 전자구조와 밀접한 관계를 보이므로 각각의 자유도가 이차원 단원자층(single layer) 구조에 따라 변하는 정도를 관찰할 수 있는 좋은 표지(indicator)가 된다. 약 2년마다 반도체의 집적도가 2배씩 늘어난다는 무어의 법칙이 한계에 부딪혔다. 더 이상 실리콘(Si)을 바탕으로 한 반도체 기술은 고집적에 따르는 열 발생의 문제나 나노 세계에서 일어나는 양자 역학적인 문제에 효율적으로 대처하지 못하고 있다. 이 시점에서 최근 발견된 이차원 구조의 graphene은 위와 같은 문제를 해결할 수 있는 차세대 물질로써 활발히 연구되고 있다. 하지만 graphene의 경우 트랜지스터를 포함한 다양한 응용분야에서 필수적인 band gap을 가지고 있지 않다. 이러한 graphene이 band gap을 갖기 위해서는 복잡한 제조과정이 필요하고 변형된 실리콘 박막의 이동도(mobility)을 감소시키거나 고전압을 필요로 한다. 이에 반해 전이금속 dichalcogenide 계열의 물질인 MoS2는 이차원 단원자층에서 direct band gap이 존재하는 반도체로써 트랜지스터에 응용될 가능성이 높은 물질이다. 본 연구에서는 이 MoS2 이차원 단원자층이 가지는 특성을 라만분광학(Raman spectroscopy)을 통해 이해하고자 하였다. Raman scattering 실험을 통해 고체 결정의 진동을 측정함으로써 고체 내부의 구조와 특성을 분석할 수 있는데, 특히 graphene에서의 Raman scattering 실험은 graphene의 원자 층의 수를 구분 및 확인하는 일을 가능하게 하였으며 전자 밴드구조를 파악하는데 매우 크게 기여하였다. 따라서 본 연구에서는 graphene의 연구 방법에 착안하여 Raman scattering 실험을 통해 MoS2의 이차원 단원자층을 구별하고 원자 층수에 따른 물리학적 특성을 연구하고자하였다. ;Raman scattering spectroscopy is one of the non-destructive, non-contact techniques, and can provide energy, lifetime, and symmetry properties regarding lattice vibration and electric excitation, etc. We use Raman scattering spectroscopy to study low dimensional nano-materials which have drawn significant interest due to their novel optical and electrical properties. Graphene, for example, exhibits linear band dispersion which leads to many distinctive physical properties such as double resonance in Raman scattering and ballistic transport. Likewise, Molybdenum disulfide (MoS2), layered transition metal dichalcogenide, also can show unique physical properties in single layer, such as significant increase in the photoluminescence. Moreover, MoS2 has intrinsic band gap that is a required property for being applied as a field effect transistor. In graphene, Raman scattering spectroscopy is proven to be a powerful nondestructive characterization tool to determine the number of layers, as well as to examine the changes in material properties with thickness. We have used Raman scattering spectroscopy to investigate MoS2, specially single layer MoS2 to study their two-dimensional physical properties.