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Molybdenum disulfide (MoS2), a member of transition-metal dichalcogenide family, is of intense interest due to its unique electronic and thermoelectric properties. However, reports of its in-plane thermal conductivity vary due to the difficulty of in-plane thermal conductivity measurements on thin films, and an experimental measurement of the in-plane sound velocity has not been reported. Here, we use time-resolved transient grating spectroscopy to simultaneously measure the in-plane elastic and thermal properties of free-standing MoS2 membranes at room temperature. We obtain a longitudinal acoustic phonon velocity of 7000 ± 40 m s−1 and an in-plane thermal conductivity of 74 ± 21 W m−1K−1. Our measurements provide useful insights into the elastic and thermal properties of MoS2 and demonstrate the capability of transient grating spectroscopy to investigate the in-plane vibrational properties of van der Waals materials that are challenging to characterize with conventional methods.

 

전자 신문 기사  


 

□  GIST(광주과학기술원·총장 문승현) 전기전자컴퓨터공학부 조영달 교수팀이 이차원 나노 신소재(이차원 이황화몰리브덴, MoS2*)에서 열(熱)의 전달 특성을 실험적으로 규명했다.

 

    * 이차원 이황화몰리브덴 (MoS2) : 화학적으로 전이금속인 몰리브덴과 주기율의 16번째 족에 해당하는 칼코젠인 황으로 구성된 무기화합물. 최근 다양한 연구 분야에서 지속적으로 연구가 진행된 그래핀과 비슷한 이차원 나노 구조 및 양자 구조를 지니면서도 반도체 고유의 밴드갭을 가져서 현재 연구가 활발히 진행 중임. 단일 원자 층 및 복층 구조가 모두 가능하며, 표면 방향으로 높은 전자 이동도 및 열전도도를 가짐.

 

 

□  전이금속 계열 물질의 하나인 이황화몰리브덴은 높은 전자 이동도 및 열전 특성을 가지고 있어, 기존 전자 및 열전소자의 열 배출 및 전달 특성을 개선하여 소자의 수명을 연장하고 열 전달 효율을 높이기 위한 대안으로 광범위한 연구가 진행되어 오고 있다.

 

∘ 이황화몰리브덴 등 이차원 신소재를 전자소자에 활용하기 위해서는 박막구조에서 열전도도 및 열의 전달에 중요한 역할을 하는 음향포논의 속도 등의 열 특성 연구가 필수적이다. 하지만 열전도도에서 중요한 역할을 하는 음향포논의 속도 측정에 대한 연구는 아직 미비하다. 따라서 본 연구를 통해 이론적인 면내 음향포논의 속도 및 열전달 특성을 실험적으로 이해하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대한다.

 

 

□  연구팀에 따르면, 레이저 간섭계를 이용하여 열의 밀도가 주기적으로 조절되는 열 격자를 만드는 초고속 격자 회절 분광법(Ultrafast transient grating spectroscopy*)을 이차원 나노 신소재에 최초로 도입하였다.

 

    * 초고속 격자 회절 분광법(Ultrafast transient grating spectroscopy) : 두 레이저 빔의 간섭을 이용하여 고체 내부에서 발생된 준입자의 전달 특성을 측정하는 분광법.

 

  ∘ 초고속 격자 회절 분광법은 전기적 혹은 열적 접촉을 피하면서도 나노 소재의 초고속 열의 발생과 전달을 관측할 수 있는 방법으로 다양한 이차원 나노 소재에 응용이 기대된다. 특히 이황화몰리브덴 박막에서 열 격자의 형태가 열의 전달에 따라 소멸하는 시간을 관측하여 기존에는 이론적으로만 계산된 표면 방향 열전도도를 정량화 할 수 있었다.

 

  ∘ 특히 열은 주로 원자 진동*의 형태로 전달되기 때문에 관련된 원자 진동의 특성을 이해함으로써 열의 제거 효율을 향상시킬 수 있다. 조영달 교수팀은 열 격자가 소멸하기 전에 발생하는 원자 진동 주파수와 격자의 크기가 원자 진동의 전달 속도에 비례한다는 점에 착안하여 원자 진동의 전달 속도도 실험적으로 관측하였다.

 

     * 원자 진동: 결정 구조에서 원자 간 거리가 시간에 따라 변하는 양자화 된 진동을 나타내며, 물리학적으로는 포논이라고 불림. 포논 중에서, 속도를 갖는 음향 포논은 고체의 열전도도에 중요한 역할을 함.

 

□  조영달 교수는 “이번 연구를 통해 이차원 나노 신소재에서의 열의 특성을 이해하고, 전자소자의 열 제거 등에 활용함으로써 수명 단축 및 발화 문제를 해결하는데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

 

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