이차원 전이금속 이황화물 (2D-TMDs) 는 독특한 광학, 전기 및 기계적 특성을 지니는 물질로서 나노전자학, 포토닉스, 에너지 저장 및 광전자학과 같은 다양한 응용 분야에서 주목받는 후보물질로 등장했다. 이에 더 나아가서, 결함 공학 또는 상전이와 같은 방법들을 통해 2D-TMDs의 기능을 확장하기 위한 연구들이 빈번히 진행되고 있다. 따라서, 칼코겐 공공이나 도펀트 (dopant) 의 양 및 물질의 상을 정확하게 측정하고 정의하는 것이 매우 중요하게 되었다. 최근의 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 주사 투과 전자 현미경 (Scanning Transmission Electron Microscopy, STEM)을 사용한 원자 단위 이미징이 흔히 사용되고 있다. 특히, Z-contrast 특성을 사용하는 STEM-HAADF 이미징 기술을 사용하면 2D 물질의 결함을 보다 정확하고 직관적으로 관찰하는 것이 가능하다. 하지만 STEM 이미징을 사용한 2D 물질의 결함 분석은 이미지의 강도를 기반으로 하기 때문에 강도 수준을 분류하여 결함과 비결함 원자 부위를 구별하기 위한 신뢰도 있는 기준이 마련되어야 한다. 마지막으로 STEM 이미징의 특성상 굉장히 작은 영역에서 결과를 얻기 때문에 해당 결과가 전체 샘플의 결과를 정확히 대표할 수 있도록 신뢰할 수 있는 이미지의 크기를 설정해야 한다. 이 두 가지 문제를 해결하기 위해 우리는 시뮬레이션 기술을 도입하였다. 시뮬레이션 기반 이미지에서 모든 원자의 강도를 측정한 뒤 원자의 종류별로 분류하는데 성공하였고 이미지의 크기와 칼코젠 공공의 양을 변화시켜가며 얻은 시뮬레이션 데이터 셋을 통해 신뢰할 수 있는 영역의 크기를 설정할 수 있었다.

이 기술을 기본 원리로 하여, 우리는 원자 단위에서 칼코젠 공공과 전이 금속 도펀트의 양을 정확하게 측정할 수 있었다. 이에 더해, 각 이미지 내의 모든 원자 위치의 강도 수준을 추적함으로써 모든 원자의 위치 정보를 얻을 수 있었고 이를 바탕으로 원자 간 거리를 측정하여 샘플의 구조를 완전히 이해할 수 있었다. 마지막으로 강도 기반 분석과 변형 기반 분석을 결합함으로써, 작은 원자 번호 차이를 가지는 1L-TMDs에서 전이 금속 도펀트를 분류할 수 있었다. 강도 기반 분석만으로 도펀트 위치를 구분하기 어려웠지만, 전이 금속 원자 간의 원자 간 거리를 측정한 뒤 비교 분석해본 결과, 작은 원자 번호 차이를 가진 도펀트를 구별할 수 있었다. 우리의 연구는 모든 2D-TMDs의 구조와 조성을 정밀하게 분석하는 정밀하고 직관적인 방법을 제시한다.