Ab Initio Study on the Symmetry- and Interface Structure-Driven Electronic Properties of MoS2 for Device Application

Abstract

이황화몰리브덴(MoS2)은 원자 세 개에 해당하는 두께를 가지는 결정질 시트가 반 데르 발스 힘에 의해 적층된 형태의 2차원 물질이다. 이 재료의 핵심 특징인 2차원 기하구조로부터 나타나는 물성은 소자 스케일링에 대한 획기적인 대안 내지는 완전히 새로운 유형의 소자에 대한 청사진을 제시하였기 때문에 학계와 산업계를 매료시켰다. 그러나 동시에 2차원 구조는 실제 소자에 도입하고자 할 때에 큰 어려움을 가져온다. 중요한 문제 중 하나는 소자 구성 시 필연적으로 나타나는 계면구조에 의해 전기적 물성이 크게 변화한다는 것이다. 전계효과 트랜지스터 구조에서 나타나는 게이트 산화물간의 extrinsic 계면이나 적층구조에서 발생하는 인접 층간의 intrinsic 계면이 그 예이다. 또 다른 문제는 적층구조의 결정학적 대칭성이 적층방식에 따라 변화한다는 것이다. 이러한 대칭성은 위상학적 전류 및 강유전성과 같은 다양한 특성을 결정하는데 매우 중요한 역할을 한다.

본 논문에서는 MoS2의 전기적 물성에 대한 계면 및 대칭성의 역할을 밀도범함수이론에 기반한 제일원리계산을 이용하여 연구하였다. 이를 통해 MoS2의 구조-물성 상관관계에 대하여 이론적으로 고찰하고, 나아가 2차원 재료 기반 논리소자의 기능성을 향상시키거나 새로운 기능성을 부여하기 위한 방법론을 제시한다.

먼저 단일 층 MoS2로 만들어진 전계효과 트랜지스터에서 나타나는 게이트 산화물간의 계면원자구조에 대하여 연구하였다. 이 연구에서는 제일원리 분자동역학법을 이용하여 MoS2와 산화물의 계면에서 나타나는 화학반응을 모사하였고, 계면에서의 화학적 상호작용에 따라 MoS2의 전자 밴드구조가 크게 변화될 수 있음을 보여주었다. 이 결과는 그 동안 논쟁이 있었던 산화물 종류에 따른 전자수송 특성의 열화 현상에 대하여 원자수준의 메커니즘을 제안한다. 또한 MoS2 기반 트랜지스터의 성능을 향상시키기 위해 신중한 계면처리의 중요성을 시사한다. 다음으로 특정 대칭성을 가지는 적층구조 MoS2 에서 발현되는 새로운 전기적 물성을 연구하였다. 최근의 이론 및 실험 연구들은 multi-valley 밴드구조를 가지는 반도체에서 전자의 valley 자유도(valley degree of freedom)를 정보로 활용하는 valleytronics 기술의 기반을 확립하였다. 한편, 적층구조에 존재하는 전자는 층간 위치에 해당하는 layer 자유도(layer degree of freedom)를 자연적으로 갖게 되며 이는 기존 valleytronics 개념에 부가적인 정보 매개체로서 통합될 수 있다. 그러나 layer 자유도를 제어하여 정보로 이용하고자 하는 연구는 valley 자유도에 대한 연구에 비해 매우 제한적 이였다. 본 연구에서는 밀도범함수이론과 군론에 기반하여 적층구조의 대칭성이 layer 자유도의 특성에 미치는 영향을 심도 있게 연구하였다. 이를 통해 극성 대칭(polar symmetry)을 가지는 3R 구조에서 나타나는 전자의 layer 자유도 특성이 효율적인 제어에 적합하다는 것을 보여주었다. 이 결과는 layer 자유도의 제어방식과 반전 비대칭(inversion asymmetric) 구조에서 나타나는 valley 자유도의 제어방식 사이에 유사점 (analogy)이 있음을 보여준다.

마지막으로 3R 구조 MoS2에서의 강유전성에 대하여 연구하였다. 지금까지 MoS2의 강유전성은 단일 층 구조에 존재하는 거울 대칭으로 인하여 간과되어왔다. 하지만 3R 구조는 층간 상호작용으로 인해 자발적 전기분극(spontaneous polarization)이 존재한다. 따라서 층간 밀림에 대한 제어를 통해 강유전 스위칭을 일으킬 수 있다. 본 연구에서는 적외선 활성 포논(infrared active phonon)과 층간 전단 포논 (interlayer shear phonon)간의 nonlinear phononics에 기반한 강유전 스위칭 메커니즘을 연구하였다. 이 결과는 강한 적외선 영역의 레이저 펄스를 이용하여 매우 빠른 속도로 강유전 스위칭을 일으킬 수 있다는 가능성을 보여준다.

이 논문은 계면과 대칭성이 MoS2의 전기적 물성에 미치는 매우 중요한 역할을 다양한 소자 응용 관점에서 보여준다. 또한 구조-물성 상관관계 및 이에 따라 새롭게 발현되는 물성을 활용하는 전략을 제시하고 있다. 이 연구 결과는 저차원 재료 및 소자 실현에 대한 연구에 중요한 밑거름이 될 것이다.

Molybdenum disulfide (MoS2) is two-dimensional (2D) crystalline material showing layered structure where three-atoms-thick crystalline sheets are stacked by van der Waals force. The 2D geometry of the structure, a defining feature of this material, has fascinated societies of academia and industry by invoking both ground-breaking solutions for device scaling and blueprints for an entirely new type of device. The 2D geometry, however, poses significant challenges in the materializations of the concepts at the same time. A particularly important issue is the interface which significantly affects the electronic properties. The interface can be either extrinsic in the device structures such as metal-oxide-semiconductor or intrinsic in the multilayer structure. In addition, crystalline symmetry of the multilayer structure varies with the way of stacking. The symmetry plays a fundamental role in determining various symmetry-related properties such as topological current and ferroelectricity.

In this dissertation, the role of interface and symmetry on the electronic properties of MoS2 is investigated using first principles calculations based on density functional theory (DFT). The theoretical study explorers the structureproperty correlations for the MoS2 based logic device with enhanced and new functionalities.

We begin with the study on the atomistic structure at the interface between single layer MoS2 and gate oxides in field-effect transistor. This shows that the electronic band structure of MoS2 can be significantly perturbed by the chemical interaction at the interface with the oxide. The results reveal the atomistic origin of mobility degradation mechanism depending on the types of oxide and calls for the importance of careful interface treatment to improve the performance of MoS2 transistor.

Next, we investigate the emerging electronic properties of multilayer MoS2 showing particular symmetry. Recent theoretical and experimental studies established the basis of valleytronics which harnesses the valley degrees of freedom of electrons in the multi-valley band structures as an information carrier. On the other hand, the layer degree of freedom naturally arises in the multilayer structures and can be possibly integrated into the valleytronics as an additional information carrier. The concept of the layer degree of freedom, however, was immature compared to the valley counterpart. Here, we combine the DFT and group theory calculations to thoroughly investigate the role of the symmetry of layered structure on the properties of layer degree of freedom. We show that the certain stacking structure, called 3R structure, with polar symmetry enables efficient processing of the layer degree of freedom in analogy with the valley degree of freedom in the inversion asymmetric systems.

Finally, we explore the ferroelectric functionality with the 3R structure. The possibility of ferroelectricity of MoS2 had been overlooked due to the mirror symmetry of isolated monolayer. We show that the spontaneous electric polarization can manifest itself from the interlayer interaction in the polar 3R structure. Hence the polarization is switched by the interlayer sliding. We investigate the ferroelectric switching mechanism based on the nonlinear phononics of the interlayer shear phonon with the infrared active phonon. The results indicate that the possibility of ultrafast ferroelectric switching using an intense light pulse.

This dissertation demonstrates substantial effects of the interface and the symmetry on the electronic properties of MoS2 in various perspectives of applications. The constructed structure-property correlations and the strategies to utilize the emerging properties shall provide the insights to realize and advance the 2D materials device.