2D-3D Heterostructures Consisting of MoS2 Monolayers and SiO2 Nanopillars

Abstract

본 학위 논문에서는 50 nm 높이의 3차원 SiO2 나노 구조와 2차원 반도체 물질인 MoS2 단일층으로 이루어진 이종구조를 두 가지 방식으로 제작하여 물리적 특성을 연구하였다. 본 연구는 나노 구조의 광학적 및 전기적 특성을 조사함으로써 빛과 나노 구조의 상호작용에 의한 반도체 물질의 물리적 특성 변형 현상을 이해하고자 하였다. 광학 실험과 계산 결과를 통해 입사광이 나노 구조 주변에 집속이 되어 MoS2의 광학적 흡수 증진 현상을 보임을 확인하였다. MoS2의 흡수율은 두께의존을 보였으며 특히 320 nm 두께의 기판에 비해 100 nm 두께의 SiO2 기판 시료에서 두드러진 가시광 흡수 증진이 나타났다. 나노 구조위에 MoS2 단일층을 습식 전사하는 과정에서 많은 균열(crack)이 발생하였으며 빛 인가에 따른 전하 거동 영향을 실험을 통해 조사하였다. 수십 나노미터 수준의 공간 분해능을 갖는 KPFM (Kelvin probe force microscopy)을 이용한 CPD (contact potential difference) 값의 공간적 분포의 변화 관찰 연구에서는 빛의 on-off cycle에 따라 양전하와 음전하 분포를 보이는 조각(flake)이 관찰되었다. 이러한 예상치 못한 거동은 MoS2에 걸린 역학적 변형의 차이가 만들어낸 단일층의 포텐셜 전위 경도변화가 엑시톤 분리 현상을 만들어냈기 때문으로 이해할 수 있었다. 2차원-3차원 이종구조의 물리적 특성 조사를 통해 SiO2 NP구조의 광학적 이점을 확인하고 공정상의 결함인 균열이 광전하 거동에 미치는 영향을 이해하였다.;We prepared MoS2 monolayers on SiO2/Si substrates with 50-nm-height SiO2 nanopillar (NP) arrays using direct growth and transfer methods. Optical characterizations and numerical calculations showed that incident light was concentrated around the NPs, leading to optical absorption enhancement of the conformally grown MoS2 monolayers on the NP arrays. In particular, the absorption of MoS2 significantly depended on the thickness of the SiO2 layers in the substrates. The samples on 100-nm-SiO2/Si substrates exhibited more enhanced absorption in broad wavelength range, compared with those on 320-nm-SiO2/Si substrates. During the wet transfer process of MoS2 flakes onto the nanopatterns, we found several cracks in the flakes. Contact potential difference maps showed that some flakes exhibited positive and negative charging under repeated light on-and-off cycles. Such anomalous charging could be explained by exciton dissociation and charge migration caused by strain-induced potential gradient in the MoS2 flakes. Investigation of the physical properties of the 2D-3D mixed-dimensional heterostructures allowed us to investigate notable optical benefits of the SiO2 NPs and the influences of the fabrication-related defects (cracks) on the spatial distribution of photo-generated charges.