GaN has been investigated as a substrate for synthesizing MoS2 monolayer (ML), which are promising semiconductor materials due to their similarity in lattice structure. In this study, surface passivation of the GaN substrate, when synthesizing MoS2 ML using metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), is predicted by first-principles calculations. Firstly, H, S, O, and OH are selected as candidates for passivating adsorbents based on the synthetic environment and the XPS measurement results. Calculating the surface formation energy when each adsorbent passivates the GaN surface, at the experimental condition of 750 K and 1.6 Torr, the GaN surface is passivated by OH. In this case, 3 OH are located on the H3 site per 4 surface Ga. However, the GaN surface is passivated by S beyond 1000 K. In this case, 3 S are located on the H3 site per 8 surface Ga. Furthermore, it is difficult to distinguish which of OH or S passivate the GaN surface by only measuring the van der Waals (vdW) distance between the GaN substrate and MoS2 ML.
GaN은 격자 구조의 유사성 때문에 반도체 소재로 유망한 MoS2 단층 물질을 합성하기 위한 기판으로서 연구되고 있다. 본 연구는 유기금속화학증착법을 활용하여 GaN 기판 위에 MoS2 단층을 합성할 때, GaN 기판의 표면 패시베이션을 제일원리계산을 통해 예측한다. 먼저 합성 환경과 XPS 측정 결과를 기반으로 하여 표면을 패시베이션할 수 있는 물질 후보로서 H, S, O, OH를 선택했다. 각 물질이 GaN 표면을 패시베이션하는 경우에 대해 surface formation energy를 계산한 결과에 따르면, 실험 조건인 750 K, 1.6 Torr에서 GaN 표면은 OH로 패시베이션된다. 이 때, OH는 표면 Ga 4개 당 3개가 H3 위치에 존재한다. 하지만 1000 K 이상에서 GaN 표면은 S로 패시베이션된다. 이 때, S는 표면 Ga 8개 당 3개가 H3 위치에 존재한다. 또한, GaN 기판과 MoS2 단층 사이의 반데르발스 거리 측정으로는 OH와 S 중 무엇이 GaN 표면을 패시베이션하는지 구별하기 어렵다.
