액체 전구체 CVD로 성장한 MoSe2와 WSe2 하이브리드 이종구조의 강한 인터레이어 엑시톤 발광

초록

본 연구는 물에 용해되는 Na₂MoO₄·Na₂WO₄ 전구체를 이용한 단일 단계 CVD 공정을 통해 MoSe₂와 WSe₂ 단층을 조합한 순수 측면 이종구조(HS I)와 측면·수직 하이브리드 이종구조(HS II)를 대면적으로 합성한다. 전구체 비율·온도·가열 속도를 조절함으로써 두 구조의 형태와 영역 크기를 정밀하게 제어할 수 있다. 라만·PL·AFM·TEM 등 다중 분석을 통해 각각의 결정성, 계면 폭(~5 nm), 합금 영역(~120 nm) 및 층간 결합을 확인했으며, HS II에서는 4 K에서 인터레이어 엑시톤(IE) 발광이 주된 피크를 차지하고 실온까지 지속되는 강한 IE 신호를 관찰했다. 이는 액체 전구체 기반 CVD가 고품질 2D 이종구조를 대규모로 제조할 수 있음을 입증한다.

상세 분석

본 논문은 전통적인 고체 전구체(예: MoO₃·WO₃) 대신 수용성 나트륨 몰리브데이트·텅스테이트(Na₂MoO₄, Na₂WO₄)를 액체 형태로 스핀코팅하고, Se 증기와 함께 770–900 °C 구간에서 CVD 변환함으로써 MoSe₂·WSe₂ 이종구조를 성장시키는 새로운 공정을 제시한다. 전구체 몰비를 1:3(모리브덴:텅스텐)으로 설정하면 MoSe₂가 먼저 핵생성하고 그 주변에 WSe₂가 에피택셜하게 성장하여 순수 측면 이종구조(HS I)를 만든다. 반대로 3:1 비율에서는 MoSe₂가 이중층(MoSe₂)으로 먼저 형성된 뒤, 그 위에 WSe₂가 측면으로 성장하면서 수직으로 겹친 구조(HS II)가 형성된다. 가열 속도 15 °C min⁻¹가 핵심 파라미터로, 급속 가열(40 °C min⁻¹)은 혼합 상을 유도해 순수한 측면 이종구조를 방해한다.

라만 스펙트럼에서 A′₁(240 cm⁻¹)·E′(286 cm⁻¹) 모드가 MoSe₂를, E′/A′₁(249 cm⁻¹)·2LA(260 cm⁻¹) 모드가 WSe₂를 명확히 구분한다. FWHM 값이 각각 1.7 cm⁻¹, 3.7 cm⁻¹로 매우 좁아 고결정성을 확인한다. Raman intensity 맵은 MoSe₂와 WSe₂ 영역이 각각 수 μm 규모로 균일하게 분포함을 보여준다. AFM 측정은 두 구조 모두 약 0.7 nm 두께, 즉 단층임을 증명한다.

고해상도 HAADF‑STEM과 EDX 분석을 통해 Mo와 W가 각각 중심·외곽에 국한되고, 두 영역 사이에 약 120 nm 폭의 Mo‑W‑Se 합금층이 존재함을 확인한다. 이 합금층의 계면은 약 5 nm 이내로 급격히 변하며, SAED 패턴은 모든 영역이 동일한 6‑fold 대칭을 갖는 단일 결정임을 보여준다.

HS II의 경우 Raman 스펙트럼에서 하단 MoSe₂ 단층(A′₁ 240 cm⁻¹)과 상단 MoSe₂‑WSe₂ 측면 이종구조가 동시에 관측된다. 특히, MoSe₂가 이중층으로 존재할 때 A′₁ 모드가 청색 이동(≈1 cm⁻¹)하는데, 이는 층간 반데르발스 결합에 의한 밴드 구조 변화를 의미한다.

광학적 특성은 532 nm 레이저를 이용한 PL 측정으로 평가하였다. HS I에서는 MoSe₂와 WSe₂ 각각 1.50 eV, 1.57 eV에서 중성 exciton(X⁰) 피크가 나타나며, 전반적인 PL 강도가 높아 직접 밴드갭 특성이 유지됨을 확인한다. 스트레인 효과(열팽창 차이)로 인해 일반적인 1.57 eV, 1.65 eV보다 낮은 에너지로 이동했지만, 이는 균일한 성장 과정에서 발생한 전형적인 현상이다.

가장 주목할 점은 HS II에서 관찰된 인터레이어 엑시톤(IE)이다. 4 K에서 IE 피크가 1.35 eV 부근에서 가장 강하게 나타나며, 전체 PL 스펙트럼을 지배한다. 온도를 상승시켜도 300 K에 이르기까지 IE 신호가 뚜렷하게 유지되어, 층간 전하 전달이 매우 효율적임을 시사한다. 이는 기존에 기계적 스태킹이나 고체 전구체 CVD로 만든 이종구조에서만 보고된 현상을, 액체 전구체 기반 단일 단계 CVD에서도 재현했다는 점에서 혁신적이다.

요약하면, 전구체 비율·온도·가열 속도 조절만으로 측면·수직 이종구조를 선택적으로 성장시킬 수 있으며, HS II는 높은 품질의 인터레이어 엑시톤을 실온까지 제공한다. 이는 대면적 2D 이종구조의 스케일업과, 인터레이어 엑시톤 기반 양자광학·밸리트로닉스 소자 구현에 중요한 전진을 의미한다.