Studies on Direct Synthesis of Transition Metal Dichalcogenides for Electronic Applications

Abstract

전이금속계화합물은 뛰어난 기계적, 광학적, 전기적 특성으로 인해 차세대 상업용 플렉시블 로직 디바이스 및 센서를 개발하기위한 탁월한 플랫폼으로 입을 수 있는 전자기기 제작을 위한 폼 팩터를 부여할 수 있습니다. 이를 구현하기 위해 전이금속계화합물의 대면적 박막 합성법은 복잡한 진공 기반 접근 방식을 거치는 문제점을 지녀왔습니다. 따라서, 임의의 기판 위에 대면적 전이금속계화합물 박막을 합성하여 대량 생산을 진행할 수 있는 간단하고 효과적인 방법을 개발하는 것이 중요합니다. 이 점에서 용액 기반 전이금속계화합물 합성 방법은 비 진공 분위기에서 제조 공정의 단순화와 대면적화를 동시에 이룰 수 있는 효율적인 합성법입니다. 제1장에서는 용액공정 기반의 전이금속계화합물 전구체 박막 증착 및 합성의 발전 과정을 요약하고, 증착 된 전구체를 열분해 시켜서 전이금속계화합물 박막으로 형성하는 합성 방법의 장단점에 대해 논의합니다. 마지막으로는 전자기기 및 센서에서 미래에 적용 가능한 응용분야에 대해 설명합니다. 제2장에서는 비진공 상태에서 펄스 레이저 어닐링 기법 (λ = 1.06 μm, 펄스 지속 시간 ~ 100 ps)을 사용하여 웨이퍼 규모에서 이황화몰리브데넘 및 이황화텅스텐 구조의 층간 선택 합성을 위한 직접적이고 신속한 제작 방법을 소개합니다. 그 결과 이황화몰리브데넘 기반 전계 효과 트랜지스터, 피부 부착 형 모션 센서 및 이황화몰리브데넘/이황화텅스텐 기반 이종 접합 다이오드의 동작을 시연했습니다. 제3 장에서는 표면이 구겨진 형태를 가지는 이황화몰리브데넘 기반 마찰 전기 발생 장치를 제작하여 기존의 이황화 몰리브데넘 대비 약 40 % 향상된 전력을 가지는 이황화몰리브데넘의 형태학적 구조를 손쉽게 조절하는 합성법을 소개합니다. 표면이 구겨진 형태의 이황화몰리브데넘 기반 마찰 전기 발생 장치는 추가 공정 및 재료의 도움없이 고성능 에너지 수확 효율을 최대 ~ 25V 및 ~ 1.2 μA 까지 보여줍니다. 마지막으로, 4장에서는 위 실험들에 관한 결론을 기술 하는 것으로 이 논문을 마무리하였다.

Transition metal dichalcogenides (TMDC) have been identified as excellent platforms for developing the next-generation commercial flexible logic devices and sensors, owing to their outstanding mechanical, optical, and electrical properties. The TMDCs can be used to produce novel form-factors for wearable electronic devices. Typically, synthesis of large-scale TMDC thin film have been achieved by complexity vacuum-based approach. Therefore, it is essential to develop a simple and effective method to boost-up mass production of TMDC thin films on a large scale upon arbitrary substrates. In this regard, the solution-based TMDC synthesis method is advantageous because it proposes a simplification of the fabrication processes and an easy scaling-up of the material with a non-vacuum system. In Chapter 1, we summarize the evolution of the solution-based thin-film preparation and synthesis of the TMDCs; subsequently, we discuss the merits and drawbacks of the recently developed methods to form TMDC thin films directly from the deposited precursor. Finally, we discuss the practical applications of the TMDC thin films, which demonstrate the feasibility of their commercialized applications in electronic devices and sensors. In Chapter 2, we introduce a direct and rapid method for layer-selective synthesis of MoS2 and WS2 structures in wafer-scale using a pulsed laser annealing system (λ = 1.06 μm, pulse duration ∼100 ps) in ambient conditions. As a proof of concept, we demonstrated the behavior of a MoS2-based field-effect transistor, a skin-attachable motion sensor, and a MoS2/WS2-based heterojunction diode in this study. In Chapter 3, we demonstrate synthesis technique to adjusting MoS2 morphological structure, so that a surface-crumpled MoS2 TENG device generates ~40% more power than a flat MoS2 one. Compared to other MoS2-based TENG devices, it shows high-performance energy harvesting (up to ~25 V and ~1.2 μA) without assistance from other materials, even when the counterpart triboelectric surface has a slightly different triboelectric series. In Chapter 4, the summary and conclusion of the thesis are depicted, finally.