국내 연구팀이 저주파 파형으로 2차원 물질의 물성을 밝혀냈다. 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 연구팀은 전도성원자력현미경(CAFM)에 전류증폭기를 연결해 2차원 이황화몰리브덴(MoS2)의 원자결함과 관련한 전기적 특성을 규명하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈 12월 14일 자에 게재됐다.

연구팀은 CAFM이 만든 미세 전류의 저주파 파형을 읽어 2차원 이황화몰리브덴이 반도체적 특성을 갖는 이유를 찾아냈다. 재료나 소자에 흐른 전류가 만든 저주파(1Hz~5kHz)는 재료의 파괴 없이도 내부 결함을 찾는 일종의 나침반이 된다. CAFM은 원래 시료의 전도도를 측정하는 장비로 지름이 수십 나노미터(㎚·10억 분의 1m)인 탐침으로 시료에 전류를 흘린 뒤 전류의 크기로 전도도를 측정한다.

연구팀은 전류증폭기를 사용해 CAFM이 만들어 내는 전류의 저주파 파형을 확대해 미세전류까지 측정이 가능하도록 고안했다. 같은 시료에 가해진 동일한 크기의 전류라도 내부결함에 의해 결과값이 미세하게 달라진다. 전류가 흐를 때 원자결함 내에 전자 1~2개가 갇히거나 기존에 갇혀있던 전자가 나와 수 피코암페어(pA·1조 분의 1A) 수준의 극미세 전류차를 발생시키기 때문이다. 결국 저주파 파형을 해석하면 전자와 원자결함간의 관계를 분석할 수 있다.

연구팀은 실리콘을 대체할 차세대 전자소재로 꼽히는 2차원 이황화몰리브덴을 시료로 사용했다. 전자와 원자결함을 분석해 시료 내부의 황(S) 원자결함에 전자 1개가 들어가야 안정한 상태로 존재한다는 것을 밝혀냄으로써 2차원 이황화몰리브덴이 n형 반도체성을 보이는 성향을 규명했다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com