Controlled growth, characterization and applications of atomically-thin two-dimensional layers on three-dimensional structures

Abstract

With increasing research interest in low-dimensional materials, atomically-thin two-dimensional (2D) materials have become promising candidates for the next generation of electronics, optoelectronics, and photonics, indicating advanced electrical conductivity and mechanical flexibility. Despite their fascinating properties, however, the limitations of 2D materials for use in a flat and planar substrate have stimulated the research. In particular, the three-dimensional (3D) topological structures are incorporated to overcome the drawbacks, retaining and improving the remarkable properties of 2D materials. Although large-scale growth of layered 2D materials has been recently reported, it still remains a challenge to synthesize the successful deposition of the conformal monolayer growth on the 3D surface. In this thesis, I reported the 3D incorporation of 2D materials, demonstrating the conformal growth on 3D structures by optical, structural, and electrical analysis and exploring the exotic characteristic at the interface between the 2D materials and the 3D surfaces. Especially, large-area growth of single- and few-layer graphene has already been suggested, yet direct graphene growth on 3D complex dielectric substrates has exposed the limitations of the prerequisite of metallic catalysts. Here, I demonstrated a new approach that the 3D target surfaces were placed in contact with or close to a Cu catalyst, enabling the direct chemical vapor deposition (CVD) growth of few-layer graphene films on 3D patterning sapphire substrates (PSS). With this strategy, the conformal surface of graphene on 3D topology was confirmed by optical and structural analysis such as detailed scanning electron microscopy and Raman spectroscopy. Furthermore, I indicated the ambipolar field-effect transistor (FET) characteristics by applying the gate voltage through an ultra-thin ion-gel dielectric sheet. The 3D graphene FET device was further employed as a pressure and touch sensing device, where the external pressure-induced capacitance change in the 3D topology dramatically enhanced the sensitivity. Given that graphene has no energy bandgap, atomically-thin transition metal dichalcolgenides (TMDCs) have attracted interest as 2D semiconductor materials having diverse bandgaps depending on their elements and structures. Furthermore, according to the unique physical properties at a monolayer regime, research for the synthesis and diverse applications of TMDCs has been conducted widely so far. Especially, the 3D incorporation enables the advanced structural, electrical, and optical functions which are affected by the interface of TMDCs and 3D structures. From this perspective, I explored the monolayer TMDC films on the diatom frustules that can reveal multiple unique properties owing to their multidimensional and hierarchical pore structures via the elaborate metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) growth. Using the structural, and optical analyses, it was confirmed that not only the outer surface but also inside the multidimensional structures of the diatom frustules were coated with the conformal monolayer TMDCs. Also, characterization and mapping images by photoluminescence and micro-Raman analyses demonstrated the high-quality crystallinity of monolayer MoS2, WS2, and MoS2-WS2 heterostructures on the 3D exoskeletons. In this dissertation, I demonstrated atomically-thin 2D materials on the 3D complex structures, exhibiting advanced structural, electrical, and optical functions. Moreover, this 3D incorporation of 2D materials can be utilized for characterization, imaging analysis, and FET sensor applications. Through our approach, it is expected that the unique characteristics of these new achievements can open up many opportunities for diverse applications such as electronics, optoelectronics, and sensors.|저차원 소재에 대한 연구 관심이 높아지면서, 뛰어난 전기 전도성 및 기계적 유연성을 갖는 원자적으로 얇은 2차원 재료가 차세대 전자, 광전자, 광자 분야의 유망한 후보로 각광받고 있다. 그러나, 뛰어난 특성에도 불구하고, 2차원 재료는 평면의 형태에 국한된 한계점을 보였고 이에 대한 추가적인 연구의 필요성이 대두되었다. 특히, 2차원 재료 기반의 3차원 구조화는 2차원 재료 특성을 유지 및 개선할 수 있다는 측면에서 주목받고 있는 연구 분야이다. 최근 층상 형태의 대면적 2차원 소재 성장이 보고되었지만, 3차원의 표면에 균일한 단일 층의 2차원 소재를 합성하는 것은 여전히 과제로 남아있다. 본 논문에서는 3차원 구조체 위의 원자적으로 얇고 균일하게 성장된 2차원 광학적, 구조적, 전기적 분석과 함께, 2차원 소재와 3차원 구조체 계면의 특이한 물성에 대한 탐구를 제시하였다. 단일 층에 가까운 그래핀의 대면적 성장은 이미 제안된 바 있으나, 3차원의 복잡한 구조체 기판 위의 그래핀 직접 성장은 금속 촉매의 전제조건에 의해 한계를 보였다. 본 연구에서는 이를 보완하고자3차원 구조체와 구리 촉매를 샌드위치 형태로 근접하게 두고 화학 기상 증착법을 활용하여 2~3층의 그래핀 필름을 합성하는 새로운 메커니즘을 제시하였으며, 주사전자현미경, 라만 분광법 등의 광학적, 구조적 분석을 통해 3차원 위상의 균일한 그래핀 필름을 확인하였다. 또한, 초박형 이온 겔 유전체 시트를 상부게이트로 활용, 게이트 전압을 인가하여 양극자 전계 효과 트랜지스터(FET) 특성을 확인하였다. 3차원의 그래핀 FET 소자를 기반으로 압력 및 터치 센싱 소자에 접목하였으며, 3차원의 토폴로지의 외부 압력에 의한 용량 변화가 센서의 감응도를 획기적으로 향상시킴을 입증하였다. 그래핀은 에너지 밴드갭이 없는 반면, 구성 원소 및 그 구조에 따라 다양한 밴드갭을 갖는 2차원 반도체 소재인 전이금속 칼코지나이드계 (Transition metal dichalcogenides, TMDCs)가 주목받게 되었다. 단일 층의 TMDCs에 나타나는 고유한 물리적 특성을 기반으로 TMDCs 소재의 합성 및 다양한 응용 연구가 광범위하게 진행되고 있다. 특히, TMDCs 소재와 3차원 구조체 사이의 인터페이스에서 발생하는 특수한 효과로 인해, 향상된 구조적, 전기적, 광학적 기능을 모색할 수 있다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 정교한 유기금속 화학 기상 증착(MOCVD) 성장을 통해 다차원의 계층적인 구조를 갖는 규조류 외부층(Diatom frustule) 위에 단일 층의 TMDC 필름을 합성하는 연구를 제안하였다. 구조적, 광학적 분석을 활용하여 규조류 외부층의 표면뿐만 아니라 내부의 다차원 구조 또한 단일 층의 TMDC 필름으로 코팅 되었음을 확인하였다. 또한, 광발광, 마이크로 라만 분석 및 라만 맵핑 이미지를 통해 이황화 몰리브덴(MoS2), 이황화 텅스텐(WS2), MoS2-WS2 이종 접합구조의 고품질의 결정성을 입증하였다. 본 논문에서는 첨단의 전기적, 광학적 기능을 갖는 3차원 복합 구조물에 성장된 원자적으로 얇은 2차원 재료에 대한 연구를 소개하였다. 이러한 2차원 소재의 3차원 통합은 물성의 특성화, 이미징 분석 및 FET 기반 센서 어플리케이션에 높은 가능성을 지니고 있다. 본 연구의 접근 방식에 의해 개발된 특이한 물성을 기반으로 전자, 광전자, 센서 분야의 미래산업에 고무적인 영향을 줄 수 있을 것으로 기대된다.