광전기화학 (photoelectrocatalytic: PEC) 반응을 통한 물분해 수소생성 시 변환효율이 낮고 산·염기 전해질의 수용액에서의 장기안정성 문제점을 극복할 신소재 및 소자 원천기술을 개발하고자 함 (그림 1). 이를 위해 (i) PEC 금속-절연막-반도체 (MIS) 소자에서 기존 금속-절연막의 기능을 획기적으로 개선할 금속나노입자-유기절연 2D...

원자층 두께의 vdW 소재를 게이트 유전체/반도체 및 금속/반도체 계면에 직성장을 통해 형성하는 계면 엔지니어링을 통해 계면결함 제어 및 MOSFET 특성의 획기적 향상을 꾀하고자 다음 4가지 주제에 대한 공동연구를 진행. vdW 소재 저온 직성장 공정기술개발 - 저온 열분해 전구체를 통한 원자 단층 vdW 소재의 결정성 제어 합성 및 기본물성 평가 - 계면특성이 제어된 vdW 소재 위 균일한 금속 및 절연막 증착 형성기술 확보 - vdW 소재의 MOSFET 소자 적용 및 기능성 부여 공정을 통한 응용성 확대 vdW 소재 기반의 금속/반도체 초박막 (sub-nm scale) swallow 접합 형성 - vdW 소재의 표면개질을 통한 기능성 부여 - 기능성이 부여된 vdW 소재를 활용한 금속/vdW/반도체 적층 및 접합특성 향상 vdW 접근법을 이용한 최적의 유전체/vdW/반도체 적층 계면구조 설계 - DFT modeling, STM/STS를 활용한 유전체/vdW/반도체 구조의 계면제어 연구 - 유전체/vdW/반도체 기반 MOSFET 소자 제작 및 특성 최적화 vdW 층상 구조 기반의 초고유전체 소재 개발 - PECVD법을 통한 high-k 탄화수소 박막 제조기술 확보 및 특성 연구 - Si 반도체에 탄화수소 박막을 직성장을 통한 MIS 소자 구현 및 특성 연구 - 할로겐 원소의 치환을 통한 초고유전체 구현과 MIS 공정 최적화

본 과제는 2D Sn(S,Se)2/그래핀 이종접합에 금속나노입자의 플라즈몬 효과를 배가해 광흡수 및 광여기 캐리어 전송을 극대화하고, 광전기화학(PEC) 전지 효율 향상을 노림. 연구 목표는 플라즈몬 금속나노입자 코팅을 포함한 그래핀 위 2D Sn(S,Se)2 수직 정렬 구조에서 ① 광흡수·촉매 비표면적 증대, ② 전자-정공 분리·전송 효율 향상, ③ 계면 접촉저항 손실 최소화 구현, ④ 그래핀/2D SnS2/금속나노입자 다중접합 최적화 달성임. 기대 효과는 저온 수직성장 부재로 미개척이던 제조·PEC 특성 연구 기반 확보 및, 전기화학 배터리·field-effect transistor·광전소자 응용 확장과 큰 파급효과임.

본 과제는 DNA/RNA 핵염기를 이용해 Sn(S,Se)2 나노선을 친환경적으로 만들고, 그 위에 2D 나노결정(MoS2, SnS 등)을 이종접합으로 붙여 광전기화학(photoelectrochemical: PEC) 전지의 효율을 높이는 연구임. 연구 목표는 DNA/RNA 핵염기 기반 그린 케미스트리 합성으로 고품질 Sn(S,Se)2 나노선을 제조하고(S/Se 비율·에너지밴드 도출), p-type MoS2 또는 SnS를 MOCVD로 나노선 위에 정밀 성장시켜 고효율 캐리어 전송을 확보하며, p-type 2D 나노결정의 나노선 수직 성장 제어로 edge 등 활성 표면을 최대 노출해 PEC 효율을 >10%까지 향상하는 데 있음. 기대 효과는 재생에너지 비중 확대에 기여 가능한 저비용 친환경 PEC 기술 가능성 제시, 효율 극대화와 광여기 캐리어 거동 이해를 통한 학문·기술 파급 및 재료성장/구조 지적재산권 선점, 2D 나노결정 성장제어 기반 field-effect transistor·광전소자 응용 확장임.