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Synthesis and Applications of Two-Dimensional Nanostructures of Molybdenum Disulfide and Tin Selenide : 이황화 몰리브데넘 및 셀레늄화 주석의 이차원 나노구조 합성 및 응용

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Authors

채수인

Advisor
현택환
Issue Date
2020
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :공과대학 화학생물공학부(에너지환경 화학융합기술전공),2020. 2. 현택환.
Abstract
Two-dimensional nanomaterials have attracted tremendous interest from researchers in various fields, due to their unique properties. Recently, studies on the synthesis of two-dimensional semiconductor nanomaterials using colloidal chemistry have been reported. This dissertation demonstrates the large-scale colloidal chemical synthesis and applications of two-dimensional nanostructures of molybdenum disulfide (MoS2) and tin selenide (SnSe).
Firstly, I present the large-scale synthesis of uniform-sized MoS2 nanosheets using colloidal chemistry and their integration to fabricate flexible resistance random access memory (RRAM) array. The synthesized MoS2 nanosheets exhibit much narrower size and thickness distributions than the exfoliated MoS2. In addition, the colloidal stability of the synthesized MoS2 nanosheets and the high reproducibility of the synthetic method enable the solution-processed fabrication of the memory device. The RRAM using the synthesized MoS2 nanosheets shows a ~10,000 times higher on/off ratio than that based on exfoliated MoS2. Furthermore, the good uniformity of the colloidal MoS2 nanosheets allows the fabrication of the wafer-scale flexible RRAM array.
Secondly, I demonstrate the synthesis, surface treatment, and thermoelectric characterization of SnSe nanoplates with dislocations. A simple solution-phase synthesis enables the large-scale production of SnSe nanoplates with many dislocations. Transmission electron microscopy reveals that a high density of dislocations retains even after consolidation of the nanoplates by spark plasma sintering. Post-treatment with ammonia solution can effectively remove the impurities such as iodide and long-chain organic ligands and undesired oxides from the surface of SnSe nanolates, leading to enhancement in electrical conductivity of the consolidated pellet along with an increase in hole concentration. Cooperated with ultralow lattice thermal conductivity (~0.23 W m–1 K–1) of the unique nanostructured bulk materials, a high thermoelectric figure of merit ZT of ~1.1 at 873 K is achieved. This study will offer new opportunities for the controlled synthesis of defective nanomaterials and facilitate the understanding of the surface chemistry, contributing to better performance of the electronic devices.
이차원 나노 물질은 그것이 갖는 독특한 특성으로 인해서 다양한 분야의 연구자들에게 큰 관심을 받고 있다. 최근에, 콜로이드 화학을 이용하여 이차원 반도체 나노 물질을 합성하는 방법에 대한 연구가 보고되고 있다. 이 학위 논문에서는 콜로이드 화학을 통한 이차원 나노 구조의 이황화 몰리브데넘 (MoS2)와 셀레늄화 주석 (SnSe)을 대용량 합성을 다루었으며, 이를 각각 메모리 소자와 열전 재료로 응용 및 분석한 결과에 대하여 논의하였다.
첫 번째로, 균일한 크기의 MoS2 나노면을 콜로이드 화학을 통한 대용량 합성에 대한 연구를 진행하였으며, 이 나노면을 이용해서 유연한 저항 랜덤 액세스 메모리 (RRAM) 어레이의 집적에 대해 논의하였다. 합성된 MoS2 나노면은 비교군인 박리를 통해 얻은 MoS2보다 훨씬 작은 크기 및 두께 분포를 가짐으로써 균일한 크기 및 두께 성질을 보였다. 게다가 합성된 MoS2 나노면의 콜로이드 안정성과 합성법의 높은 재현성에 의해 메모리 소재의 용액 기반 공정이 가능하였다. 합성된 MoS2 나노면 기반의 RRAM은 박리된 MoS2 기반의 RRAM에 비해 약 10000 배 높은 on/off 전류 비율을 보였다. 더욱이 콜로이드 MoS2 나노면의 균일성은 대면적의 RRAM 어레이를 가능케 하였으며 유연한 소자의 제조를 하는데 기여를 했다.
두 번째로, 전위 (dislocation)을 갖는 SnSe 나노판의 합성 및 표면 처리와 열전 성능 분석에 대하여 연구하였다. 간단한 용액 합성을 통해 SnSe 나노판에 전위를 형성시킬 수 있었다. spark plasma sintering에 의한 소결 과정 거친 SnSe의 그레인 내부에서 많은 전위가 존재하는 것을 투과 전자 현미경을 통해 확인하였다. 또한, 암모니아 용액을 통한 표면처리는 나노판의 표면에 남아있는 긴 유기 리간드, 요오드화 리간드와 원하지 않는 표면 산화물들을 효과적으로 제거하였다. 이로 인해 정공의 농도가 증가하였으며, 소결된 펠렛의 전기전도도가 향상하였다. 소결된 벌크 물질의 독특한 나노 구조에 의해 매우 낮은 격자 열전도도 (~0.23 W m–1 K–1)를 보였으며, 이는 873 K에서 1.1의 높은 열전 성능 지수 ZT를 달성하는데 도움을 주었다.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/167725

http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000159274
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