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단층 전이금속 칼코젠화합물

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(a) 육각형 단층 TMD의 구조. M 원자는 검은색, X 원자는 노란색이다. (b) 위에서 본 육각형 단층 TMD.

단층 전이금속 칼코젠화합물 (TMD 또는 TMDC)은 원자적으로 얇은 MX2 반도체이다(M은 전이 금속 원자(Mo, W 등), X는 칼코젠 원자(S, Se 또는 Te)).

M 원자 한 층은 X 원자 두 층 사이에 끼여 있다. 이들은 대규모 그룹인 2D 소재 중 하나로, 매우 얇다는 것을 강조하기 위해 TMD라 이름 붙여졌다. 일례로, MoS2 단층의 두께는 겨우 6.5Å이다. 첫주기 전이 금속 칼코제나이드와 비교했을 때, TMD 물질의 주요 특징은 2D 구조에서 큰 원자들의 상호작용이다. 일례로, WTe2는 비정상적인 거대자기저항과 초전도성을 띤다.[1]

그래핀의 발견으로, 거시 규모의 벌크 결정이 1개 원자층으로 얇아졌을 때 물리적 특성이 생겨나는 방식을 알 수 있다. 흑연과 마찬가지로, TMD 벌크 결정은 단일 층들이 반데르발스 힘으로 서로 결합하며 형성된다. TMD 단층은 준금속 그래핀과는 확연히 다른 특성을 가진다.:

  • 단층 TMD MoS<sub id="mwKg">2</sub>, WS<sub id="mwLA">2</sub>, MoSe<sub id="mwLg">2</sub>, WSe<sub id="mwMA">2</sub>, MoTe<sub id="mwMg">2</sub> 는 직접 띠틈이 있다. 이는 전자공학에서 트랜지스터로, 광학에서 방출기와 검출기로 사용될 수 있다.[2][3][4][5]
  • 단층 TMD 결정 구조는 반전 중심이 없기에, 전하 운반자는 새로운 자유도인 k-valley 지수에 접근할 수 있고 이는 밸리트로닉스라는 새로운 물리학 분야를 열 수 있다.[6][7][8][9]
  • 단층 TMD의 강한 스핀-궤도 상호작용으로 인해, 가전자대 수백 meV, 전도대 수 meV의 스핀-궤도 상호작용[10]이 생긴다. 이를 이용해 들뜬 상태의 레이저 광자 에너지와 나선성을 조정하여 전자의 스핀을 제어할 수 있다.[11]
  • TMD 층의 2D 특성과 높은 스핀-궤도 상호작용 덕분에, 스핀트로닉스 응용의 유망한 재료가 될 수 있다.[12][13]

각주

[편집]
  1. ↑ Eftekhari, A. (2017). “Tungsten dichalcogenides (WS2, WSe2, and WTe2): materials chemistry and applications”. 《Journal of Materials Chemistry A》 5 (35): 18299–18325. doi:10.1039/C7TA04268J. 
  2. ↑ Splendiani, A.; Sun, L.; Zhang, Y.; Li, T.; Kim, J.; Chim, C. Y.; Galli, G.; Wang, F. (2010). “Emerging Photoluminescence in Monolayer MoS2”. 《Nano Letters》 10 (4): 1271–5. Bibcode:2010NanoL..10.1271S. doi:10.1021/nl903868w. PMID 20229981. 
  3. ↑ Radisavljevic, B.; Radenovic, A.; Brivio, J.; Giacometti, V.; Kis, A. (2011). “Single-layer MoS2 transistors”. 《Nature Nanotechnology》 6 (3): 147–50. Bibcode:2011NatNa...6..147R. doi:10.1038/nnano.2010.279. PMID 21278752. 
  4. ↑ Sundaram, R. S.; Engel, M.; Lombardo, A.; Krupke, R.; Ferrari, A. C.; Avouris, Ph; Steiner, M. (2013). “Electroluminescence in Single Layer MoS2”. 《Nano Letters》 13 (4): 1416–1421. arXiv:1211.4311. Bibcode:2013NanoL..13.1416S. doi:10.1021/nl400516a. PMID 23514373. 
  5. ↑ Lopez-Sanchez, O.; Lembke, D.; Kayci, M.; Radenovic, A.; Kis, A. (2013). “Ultrasensitive photodetectors based on monolayer MoS2”. 《Nature Nanotechnology》 8 (7): 497–501. Bibcode:2013NatNa...8..497L. doi:10.1038/nnano.2013.100. PMID 23748194. 
  6. ↑ Rycerz, A.; Tworzydło, J.; Beenakker, C. W. J. (2007). “Valley filter and valley valve in graphene”. 《Nature Physics》 3 (3): 172–175. arXiv:cond-mat/0608533. Bibcode:2007NatPh...3..172R. doi:10.1038/nphys547. 
  7. ↑ Cao, T.; Wang, G.; Han, W.; Ye, H.; Zhu, C.; Shi, J.; Niu, Q.; Tan, P.; Wang, E. (2012). “Valley-selective circular dichroism of monolayer molybdenum disulphide”. 《Nature Communications》 3 (6): 887. arXiv:1112.4013. Bibcode:2012NatCo...3..887C. doi:10.1038/ncomms1882. PMC 3621397. PMID 22673914. 
  8. ↑ Mak, K. F.; He, K.; Shan, J.; Heinz, T. F. (2012). “Control of valley polarization in monolayer MoS2 by optical helicity”. 《Nature Nanotechnology》 7 (8): 494–8. arXiv:1205.1822. Bibcode:2012NatNa...7..494M. doi:10.1038/nnano.2012.96. PMID 22706698. 
  9. ↑ Zeng, H.; Dai, J.; Yao, W.; Xiao, D.; Cui, X. (2012). “Valley polarization in MoS2 monolayers by optical pumping”. 《Nature Nanotechnology》 7 (8): 490–3. arXiv:1202.1592. Bibcode:2012NatNa...7..490Z. doi:10.1038/nnano.2012.95. PMID 22706701. 
  10. ↑ Reyes-Retana, J.A.; Cervantes-Sodi, F. (2016). “Spin–orbital effects in metal-dichalcogenide semiconducting monolayers”. 《Scientific Reports》 6: 24093. Bibcode:2016NatSR...624093R. doi:10.1038/srep24093. PMC 4837337. PMID 27094967. 
  11. ↑ Sallen, G.; Bouet, L.; Marie, X.; Wang, G.; Zhu, C.R.; Han, W.P.; Lu, P.; Tan, P.H.; Amand, T (2012). “Robust optical emission polarization in MoS2 monolayers through selective valley excitation”. 《Physical Review B》 86 (8): 3–6. arXiv:1206.5128. Bibcode:2012PhRvB..86h1301S. doi:10.1103/PhysRevB.86.081301. 
  12. ↑ Husain, Sajid; Kumar, Abhishek; Kumar, Prabhat; Kumar, Ankit; Barwal, Vineet; Behera, Nilamani; Choudhary, Sudhanshu; Svedlindh, Peter; Chaudhary, Sujeet (2018). “Spin pumping in the Heusler alloy Co2FeAl/MoS2 heterostructure: Ferromagnetic resonance experiment and theory”. 《Physical Review B》 98 (18): 180404. Bibcode:2018PhRvB..98r0404H. doi:10.1103/PhysRevB.98.180404. 
  13. ↑ Husain, Sajid; Gupta, Rahul; Kumar, Ankit; Kumar, Prabhat; Behera, Nilamani; Brucas, Rimantas; Chaudhary, Sujeet; Svedlindh, Peter (2020년 12월 1일). “Emergence of spin–orbit torques in 2D transition metal dichalcogenides: A status update”. 《Applied Physics Reviews》 7 (4): 041312. Bibcode:2020ApPRv...7d1312H. doi:10.1063/5.0025318. 
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