전이금속 칼코겐화합물의 말린 구조는 센서, 마이크로 로켓, 슈퍼 커패시터 등 다양한 활용도를 가지고, 속이 비어있어 물질의 수송이나 저장에서 큰 이점을 지닌다. 하지만 전기적 밴드갭의 크기에 대한 연구가 적어 차세대 소자의 소재로서 활용에 제한점이 있었다.
이에 이소프로필알코올 용액을 통해 대표적인 2차원 물질인 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐을 말고, 구조에 대해 분석하였다. 말린 구조는 다중 겹물질과 같이 여러 겹 구조를 가지지만, 모든 층이 연결되어 있고, 내부에 빈 공간이 있어 다중 겹 물질과는 다른 전기, 광학적 특성을 지닌다.
이어서 밴드갭의 크기를 이온성 액체 트랜지스터와 광 발광 스펙트럼을 통해 결정하였다. 그 값은 말린 이황화몰리브덴의 전기적 밴드갭 1.88 eV, 광학적 밴드갭 1.6 eV, 말린 이황화텅스텐의 전기적 밴드갭 2.06 eV, 광학적 밴드갭 1.83 eV로 말린 구조가 형성되기 이전보다 감소한 것을 확인하였다. 또한 감소된 밴드갭은 간접 밴드갭의 형성에 의한 것을 확인하였다. 두 가지 방식으로 측정된 밴드갭의 크기로부터 각각 0.28 eV, 0.23 eV의 엑시톤 결합 에너지를 계산하였다.
밴드갭 변화의 원인을 파악하기 위하여 진행된 라만 측정에서는 스펙트럼 상에서 이황화몰리브덴의 경우 E12g 피크와 A1g 피크의 간격, 이황화텅스텐의 경우 E' 피크와 A1g 피크의 간격의 증가를 확인했다. 이를 통해 말린 구조 형성에 의한 밴드갭 변화는 층간 상호작용에 의해 발생하는 것을 확인하였다.
이어 전계 효과 트랜지스터 특성으로부터 약 100배의 전하 이동도의 증가를 확인하였고, 이를 통해 구조적인 최적화를 통해서 말린 이황화몰리브덴, 이황화텅스텐을 말리기 이전보다 높은 성능을 가지는 전계 효과 트랜지스터로서 활용할 수 있는 가능성을 확인했다.
본 연구에서는 대표적인 2차원 반도체인 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐을 통해 말린 구조에서 변화된 밴드갭의 구체적인 값과 변화 원인에 대해 제시하였다. 이는 향후 응용 소자 개발에 큰 도움이 될 것이다.