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왕건욱/이철호 교수팀, “새로운 형태의 단 분자 다이오드 발명”
  • 글쓴이 : 커뮤니케이션팀
  • 조회 : 1222
  • 일 자 : 2020-03-24


왕건욱/이철호 교수팀, “새로운 형태의 단 분자 다이오드 발명”
연구결과 세계적 학술지 ‘Nature Communications’ 실려

 

 

왼쪽부터) 제 1저자 신재호 석박통합과정, 양승훈 석박통합과정, 교신저자 이철호 교수, 교신저자 왕건욱 교수

▲  (왼쪽부터) 제 1저자 신재호 석박통합과정, 양승훈 석박통합과정, 교신저자 이철호 교수, 교신저자 왕건욱 교수

 


고려대 KU-KIST 융합대학원 왕건욱 교수 연구팀과 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 이철호 교수 연구팀은 공동으로 유기 단 분자와 이차원 반도체 물질의 접합 특성을 이용하여 단 분자 수준 (< 2nm) 의 다이오드 소자를 제작했다.


다이오드는 스위칭, 신호 전달, 정류 등에 주로 이용할 수 있는데, 1974 년 Avriam & Ratner 에 의해 이론적 제안으로 시작된 분자 전자 연구 분야는 단 분자 소재 (1-2 nm)를 이용하여 초고집적, 저비용, 저전력 전자 소재/소자로서 활용될 수 있는 장점으로 기존 실리콘 기반 CMOS 전자소자 스케일을 단 분자 수준 (1-2 nm) 로 낮출 수 있다는 점에서 차세대 저전력/저차원 전자 소재/소자로 주목받아 오면서 다양한 방법으로 분자 수준의 다이오드를 구현하기 위해 연구가 진행되어 왔다.
* 분자 전자 소자 : 유기 분자를 전자부품 (전자소자)의 핵심요소로 사용한다는 개념으로, 분자 크기가 매우 작고 (보퉁 수 나노미터 미만, 10억분의 수 미터 미만) 자기조립공정이 가능하여, 고집적이면서도 저비용의 전자 부품을 만들 수 있어서 전 세계적으로 활발히 연구되고 있는 분야임.


기존의 분자 다이오드를 구현하는 방법은 특수한 분자를 합성하여 분자 내에 특정 분자 오비탈 에너지 준위를 조절하여 전압 인가 방향에 따라 전하 수송의 차이가 생겨 다이오드를 구현해왔다. 기존의 방법으로 정류비 (Rectification Ratio) 100 이상을 얻기가 매우 어렵고, 특히 제한된 소자 형태로만 개념적으로 증명하는 것으로만 발전되어 왔다. 본 연구에서는 특수한 분자를 합성하지 않고, 가장 쉽게 구할 수 있는 유기 단 분자 소재와 이차원 반도체 물질의 에너지 밴드 접합 특성만으로도 최대 정류비  ~10^4' 이상을 가지는 새로운 형태의 분자 다이오드를 구현할 수 있음을 증명했다.

* 에너지 준위 : 양자 역학의 지배를 받는 입자들 (전자, 양성자, 중성자 등)이 가질 수 있는 일련의 불연속적인 에너지 값들.


이번 연구는 본교 KU-KIST 융합대학원의 왕건욱(신재호 학생), 이철호(양승훈 학생) 교수 연구팀 주도하에 진행됐으며, 이탁희 교수(서울대), 김태욱 교수(전북대)가 공저자로 참여했다.
* 저자정보 : 신재호 (제 1저자, 고려대 석박통합과정), 양승훈 (제 1저자, 고려대 석박통합과정), 장연식 (공동저자, 서울대 석박통합과정), 어정선 (공동저자, 고려대 석박통합과정), 김태욱 (공동저자, 전북대 교수), 이탁희 (공동저자, 서울대 교수), 이철호 (교신저자, 고려대 교수), 왕건욱 (교신저자, 고려대 교수)


연구 결과는 세계적 권위 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 에 3월 16일 게재됐으며, 한국연구재단(NRF-2019R1A2C2003704, 2017R1A5A1014862 (SRC Program: vdWMRC Center), the National Creative Research Laboratory Program (grant no. 2012026372)), KU-KIST School 사업, 한국 TORAY 과학 기술 연금, 고려대학교 연구사업의 지원 아래 수행됐다.
* 논문명 : ‘Tunable rectification in a molecular heterojunction with two-dimensional semiconducotrs’
* 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications) 誌 : 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications) 는 2010 년부터 Nature Publishing Group이 출판 한 Peer-reviewed open access 저널임. 물리, 화학, 지구 과학, 의학 및 생물학을 포함한 자연 과학을 다룸.


<그 림 설 명>

그림1
그림 1. (좌측부터) 전도성 원자힘 현미경을 이용한 단 분자와 이차원 반도체 물질의 이종접합 구조 모식도와 실험에서 사용된 분자 (OPT: Oligophenylene thiol & C: Alkanethiol)와 이차원 반도체 물질 (Molybdenum disulfide (MoS2) & Tungsten diselenide (WSe2)과 다음의 이종 접합 구조에서의 전기적 특성.

 

그림2

그림 2. a. 이차원 반도체 물질의 층수를 변화시켰을 때 변화하는 전기적 특성. MoS2 의 층수가 늘어나면 음전압 영역에서의 전류가 증가하여 정류비가 낮아짐. b. 분자의 길이를 증가 시켰을 때 변화하는 전기적 특성. 분자의 길이가 증가하면 음전압 영역에서의 전류가 양전압 영역에서의 전류보다 더 감소하여 정류비가 높아짐. c. 이론적 계산을 기반으로 한 분자 길이, 장벽 높이, MoS2 의 층수에 따른 예상 정류비.