Raman scattering studies of strain effect of suspended molybdenum disulfide(MoS2) on periodical structured substrates

Abstract

스카치 테이프를 이용한 박리법으로 그래핀을 제작하는 방법이 알려진 2004년 이후부터 MoS2, WS2, WSe2, MoTe2 등의 TMDC (transition metal dichalcogenide) 소재를 포함한 2차원 물질에 대한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 이러한 2차원 물질들은 흥미로운 물리적 특성을 나타낼 뿐만 아니라 광전자소자 (optoelectronic device), 트랜지스터 (transistor), 검출기 등 다양한 소자로 응용될 수 있으며 특히 MoS2는 전기 전도성이 좋고, 광 흡수율이 비교적 높으며 빛을 내는 특성이 있기 때문에 광전소자로도 응용되고 있다. 또, MoS2로 제작한 전계효과 트랜지스터 (FET, field-effect transistor)의 경우 100 cm2V-1S-1 의 높은 이동도(mobility)를 가지며 물이나 산과도 반응성이 적은데, 이는 소자를 제작할 때 TMDC 물질이 좋은 후보가 될 수 있음을 보여준다 [25]. 하지만 박리법을 이용해 TMDC 단원자층을 얻는 경우에는 크기가 수 마이크로미터 정도로 넓은 면적의 시료를 얻기 어렵고, 화학 기상 증착법 (CVD, chemical vapor deposition)으로 제작한 TMDC 단원자층의 경우에는 박리법으로 얻은 시료에 비해 이동도가 매우 낮다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 반도체에 응력을 걸기도 하는데, 응력이 걸린 반도체의 경우 밴드구조가 바뀌고, 이를 통해 이동도가 향상되는 현상이 보고된 사례가 있다. 또, 금속을 기판으로 사용할 경우 시료가 금속에 닿는 부분에 도핑 현상이 나타날 수 있어 소자의 성능을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다 [23]. 본 연구에서는 주기적인 구조의 금속 기판 위에 2차원 물질을 제작함으로써 물질에 주기적인 응력과 도핑을 가해 나타나는 광 특성 변화 연구를 진행하였고, 이를 라만 분광법을 통해 이해하고자 하였다. 본 연구에서 사용된 라만 분광법은 물질 내의 포논 (phonon), 전자 여기상태 (excitation) 등을 연구하는 비파괴 물성 측정법의 하나로 물질의 격자 구조, 전자구조와 밀접한 연관을 갖는데, 물질에 응력이 걸리는 경우 격자구조 및 전자구조가 변하고 금속에 의한 도핑 효과가 있는 경우 전자구조가 바뀌기 때문에 라만 분광법은 이를 연구하는 좋은 측정법이 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 라만 분광법을 이용하여 주기적인 금속 기판 위에 제작된 MoS2에 가해진 in-plane 및 out-of-plane 응력의 영향을 포논 주파수의 변화로부터 연구하였다. 이를 통해 MoS2 층의 두께가 얇아질수록 더 많은 복합적 응력이 가해짐을 연구하였고, 금속이 아닌 주기구조 기판에 제작된 MoS2 시료로부터 응력과 전하의 도핑 효과를 연구하였다.;Large amount of research has been conducted over two-dimensional materials including transition metal dichalcogenide monolayers (TMDCs) such as MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, and MoTe2 since production of the single- and the multi-layered graphene. These materials exhibit interesting 2-dimensional physics and, in principle, can be utilized for electronic and optoelectronic devices. For example, MoS2 can be used for photovoltaic devices from its electrical conductivity and light emitting property. Also, the field-effect transistor (FET) made of MoS2 shows the mobility over 100 cm2V-1S-1 and it is stable in both acidic and basic conditions, which make TMDCs even more attractive for applications. In addition, strained TMDCs can change the band gap with mobility and effective mass of electrons which can improve device performances. In this study, we used MoS2 samples made by exfoliation and by CVD method that were transferred on Si substrates with a 300 nm SiO2 layer and Ag grating with 200 nm period. For measuring basic characteristics such as lattice properties and information regarding the electronic band structures of the samples, we performed Raman scattering spectroscopy by using five different excitation energies of 457.9 nm (2.71 eV), 488 nm (2.54 eV), 514.5 nm (2.41 eV), 532 nm (2.33 eV), and 632.8 nm (1.96 eV). We report anomalous phonon behavior that depends on the thickness of layers and underlying strain effect of periodic structured substrate and charge concentration.