Ex) Article Title, Author, Keywords
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New Phys.: Sae Mulli 2021; 71: 347-352
Published online April 30, 2021 https://doi.org/10.3938/NPSM.71.347
Copyright © New Physics: Sae Mulli.
Jae-Yeol HWANG*
Department of Physics, Pukyong National University, Busan 48513, Korea
Correspondence to:jyhwnag@pknu.ac.kr
In the layer-structured Bi-Sb-Te (BST) pnictogen chalcogenide film grown on a Al$_2$O$_3$ substrate by using spontaneous van der Waals epitaxy, a structurally correlated in-plane orientation between the 2D BST film and the 3D substrate was found. In order to elucidate the origin of such a peculiar structural feature, we confirmed that well-matched stacking at the van der Waals hetero-interface could be induced by the similar atomic arrangements and surface topographies of Te monolayers. Particularly, the $c-$axis lattice parameter of the BST film was individually manipulated by altering the growth rate of spontaneous van der Waals epitaxy. We found that such a change could be generated by variations in the van der Waals interfaces between BST quintets in a layer-structured pnictogen chalcogenide.
Keywords: Spontaneous van der Waals epitaxy, Thin film, Chalcogenide, Pulsed laser deposition, Van der Waals interface
본 연구에서는 자발적 반데르발스 에피탁시(spontaneous van der Waals epitaxy)로 Al$_2$O$_3$ 위에 성장한 층상형 칼코게나이드 Bi-Sb-Te (BST) 박막에서 관찰되는 일정한 in-plane 정렬이 일어나는 원인을 규명하고 2차원 박막의 인위적인 구조조작을 통해 구조-물성 상관관계를 조사하였다. 2차원 칼코게나이드 BST 박막과 3차원 Al$_2$O$_3$ 기판과의 이종 계면은 반데르발스 결합이 존재함에도 불구하고 2차원 박막의 \textit{a$-$b} plane 격자 정렬이 특정한 기판 배향에 맞추어 성장하게 되는데 이러한 특성은 기판과 박막 사이의 반데르발스 이종계면에 존재하는 Te단원자층들 간의 원자 정렬과 표면 형상의 영향으로 구조적으로 잘 맞물리는 층 쌓기(stacking)에 의해 발생하는 것으로 확인되었다. 또한, 칼코게나이드 박막의 성장을 제어함으로써 층상형 pnictogen chalcogenide 결정구조내에 존재하는 BST quintet들 간의 반데르발스 계면 변화를 유도하여 $c-$축 격자 크기를 선택적으로 조절할 수 있었다.
Keywords: 자발적 반데르발스 에피탁시, 박막, 칼코게나이드, 펄스레이저증착, 반데르발스 계면
2차원 층상형 칼코게나이드는 반도체, 도체, 열전특성, 초전도성, 위상절연체 등의 다양한 물성들과 다형체(polymorph) 구조, 높은 전하 이동도, 빠른 전하 전달 등의 특성들이 발견되면서 이들의 물성을 활용하고자 하는 응용 연구가 증가하고 있다 [1–6]. 2차원 층상형 구조물질인 pnictogen chalcogenide (PC)
박막 물성연구와 소자 개발에 광범위하게 활용되고 있는 이종 에피탁시(hetero-epitaxy)는 기판 표면의 부서진 결합(dangling bond)을 이용하여 성장되는 물질의 격자와 강한 결합(covalent bonding)을 형성하여 박막을 성장한다 [10, 11]. 이종 에피탁시의 경우 기판과 박막간의 격자상수(lattice parameter) 차이에 의해 박막에 응력(epitaxial strain)이 작용하게 되어 물질의 결정구조가 변형되어 박막이 성장하게 된다. 이러한 근본적인 특성때문에, 이종 에피탁시를 2차원 물질 박막성장에 이용할 경우 균일한 막 성장의 어려움, 복잡한 성장방법, 화학조성 조절의 어려움, 낮은 물성특성 등의 문제점들이 보고 되어왔다 [12–14].
이종 에피탁시와 구별되는 반데르발스 에피탁시(van der Waals Epitaxy: vdWE)는 기판과 박막사이의 약한 반데 르발스 상호작용(van der Waals interaction)에 의해 박막 성장이 이루어지기 때문에 반데르발스 이종계면 (van der Waals hetero-interface)이 형성되며 이로 인해 기판구조의 영향으로부터 비교적 독립적이어서 2차원 물질의 구조적 변이와 손상없이 박막을 성장하는데 적합한 방법으로 알려져 있다. [15,16].
고품질의 2차원 칼코게나이드 박막 개발을 위해서는 부서진 결합이 존재하지 않는 안정 (non-active) 한 기판 표면에서 결정구조의 변형없이 반데르발스 상호작용에 의해 막의 성장이 이루어져야 한다. Kim
본 연구에서는, s-vdWE로 성장한 2D 칼코게나이드 BST/Al2O3 이종구조에서, 박막과 기판사이의 강한 구조적 상관관계를 갖는 in-plane 정렬이 일어나는 원인을 규명하고 2D 칼코게나이드 박막의 인위적인 구조조작을 통해 구조-물성 상관관계를 조사하였다.
Bi-Sb-Te (Bi0.5Sb1.5Te3: BST) 조성의 타겟은 1000 °C에서 8시간 동안 진공소결법으로 (vacuum sintering) 준비하여 248 nm 파장의 KrF 레이저 (Compex 205F, Coherent)를 사용하여 펄스형 레이저 증착법 (pulsed laser deposition: PLD)으로 10 × 10 mm2 면적의
박막의 결정구조는 고출력 9 kW 4-circle X-선 회절분석기 (Smartlab II, Rigaku) 에서 monochromatized Cu-
Figure 1의 XRD
2차원 층상 구조인 BST 박막이 Al2O3 기판 위에 이종 에피탁시를 통해 성장되었다면 BST 박막의 in-plane lattice는 이종계면에 형성되는 강한 covalent bonding으로 인해 Al2O3 의 in-plane 격자 (
그러나, XRD
Figure 2a에 나타낸 Ewald sphere 는 rhombohedral(
s-vdWE로 성장된 BST/Al2O3 박막의 구조분석 결과 Al2O3 의 (1 0 2) reflection에 대한
XRD in-plnae과 out-of-plane 분석결과를 종합해 보면 2차원 칼코게나이드 박막이 기판과의 큰 격자 불일치 (lattice mismatch)에도 불구하고 in-plane 격자의 변형없이 에피탁시 성장을 하였고 이러한 구조적인 특징들은 2차원 칼코게나이드 박막이 3차원 구조의 Al2O3 기판위에서 특이한 형태의 vdWE로 성장했음을 보여준다.
S-vdWE에서 나타나는 2차원 칼코게나이드 박막의 특이한 in-plane 정렬을 이해하기 위해서는 BST/Al2O3 계면 구조에 대한 해석이 필요하다. 자발적 반데르발스 에피탁시에서는 박막의 초기 성장단계에서 Fig. 3과 같이 Te 원자가 Al-terminated Al2O3 표면의 Al vacancy 자리에 위치하면서 pesudomorphic한 Te 단원자층을 형성하여 Al2O3 표면을 부서진 결합이 없는 표면으로 변화시키게 된다. 이 과정에서 Te 단원자층이 Al2O3 표면에 형성되면 그 위에 성장하는 BST 박막은 quasi-2D 특성을 갖는 기판의 표면과 반데르발스 상호작용을 하게 되어 vdWE가 일어나게 된다. S-vdWE에서는 Al2O3 표면에 Te 단원자층의 형성과 BST quintet의 성장 등의 일련의 과정들이 자발적으로 일어나게 된다 [18].
약한 반데르발스 상호작용으로 BST quintet의 Te1 원자층이 무작위로 Te-terminated Al2O3 기판위에서 성장하는 것이 아니라, 기판과 박막의 계면에 형성된 Te 원자층의 crystal symmetry와 정렬 구조 형태로 인해 서로 교차하여 맞물린 형태로 stacking이 이루어진다 (Fig. 4). 그 결과, s-vdWE로 성장한 2차원 층상형 칼코게나이드 박막은 Al2O3 위에서 항상 in-plane 방향을 맞추어 성장하는 특이한 구조적 상관관계를 갖게 된다.
2차원 칼코게나이드 BST박막은 모두 (0 0
BST 박막의 s-vdWE 성장과정에서 유도된 격자 변화의 원인을 조사하기 위해 in-plane (
Ar분압 조절에 의한 s-vdWE 박막의
자발적 반데르발스 에피탁시(s-vdWE)를 통해 2차원 칼코게나이드 박막의 높은 결정성과 전기적 특성을 유지하면서 격자구조의 변화가 가능함을 실험적으로 확인하였다. BST/Al2O3 이종구조 박막의 s-vdWE의 경우, 기판과 박막 사이의 약한 반데르발스 이종계면의 형성에도 불구하고, 성장되는 2차원 박막의 in-plane (
본 연구결과를 기반으로, 자발적 반데르발스 에피탁시를 통해 2차원 층상형 칼코게나이드 물질의 out-of-plane 적층구조 (stacked structure)를 조절할 수 있어 반데르발스 계면구조와 물성간의 상관관계 연구와 반데르발스 이종구조의 개발 및 응용에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비 (2019년)에 의하여 연구되었습니다