With the continuous miniaturization and integration of devices, the influence of the properties of a single atomic layer has become increasingly significant, raising the importance of research on material surfaces. Atomic force microscopy (AFM) is an ideal tool for investigating phenomena occurring on material surfaces, especially for the precise evaluation of properties in two-dimensional materials, which consist of only a few atomic layers.
Chapter 1 emphasizes the significance and historical context of the studies in surface science and 2D materials. Chapter 2 provides fundamental explanations about the principles and measurement methods of atomic force microscopy.
In Chapter 3, the changes in nanotribological properties of mechanically exfoliated molybdenum disulfide (MoS2) were studied by AFM, when water layers are intercalated between MoS2 and hydrophilic substrate. 1 or 2 layers of intercalated water increased the frictional force of monolayer MoS2 by 2 and 3 times, respectively. This suggests that the physical or electrical properties of the 2D materials do not play an important role on the friction increase from water intercalation between exfoliated 2D materials and hydrophilic substrates.
Chapter 4 compares the phase dependence in nanotribological properties of mechanically exfoliated transition metal dichalcogenides, molybdenum disulfide and molybdenum ditelluride (MoTe2). The results revealed that MoS2 and MoTe2 in the metallic 1T' phase with an octahedral structure exhibit friction in approximately 5 to 10 times higher than the trigonal prismatic semiconducting 2H phase, in nanoscale. Through density functional theory calculations, this phenomenon is explained by the difference in the overlap of phonon density of states between the material and the substrate, and the difference in potential energy barrier in the minimum energy scan path.
The research precisely compares and elucidates the nanotribological phenomena occurring at the monolayer level in MoS2. These findings are expected to offer valuable insights and applicability not only for MoS2 but also for the broader realm of 2D materials.
과학의 발전에 따라 장치들이 작아지고 집적화 될수록 원자 한 층에 대한 성질의 영향이 커져, 물질 표면 연구에 대한 중요성이 높아지고 있다. 원자 힘 현미경은 물질 표면에서 일어나는 현상들을 연구하기에 매우 적합한 장비이며, 특히 단원자 수준의 층을 가지는 2차원 물질의 성질을 매우 정확하게 평가할 수 있다.
본 학위논문 제1장에서는 표면 연구와 2차원 물질 연구의 중요성과 역사에 대해 기술하였으며, 학위논문 제2장에서는 원자 힘 현미경의 원리와 측정 방법에 대한 기초 개념을 설명하였다.
제3장에서는 기계적 박리법을 이용해 제조한 이황화 몰리브덴(MoS2) 과 친수성 기판 사이에 물 층이 삽입되었을 때의 나노 마찰학적 변화를 원자 힘 현미경을 통해 연구하였다. 단층의 박리된 이황화 몰리브덴과 기판 사이에 물이 1층 삽입되었을 경우에는 이황화 몰리브덴의 마찰력이 약 2배 증가하였고, 물이 2층 삽입되었을 경우에는 이황화 몰리브덴의 마찰력이 약 3배 증가하였다. 이를 통해, 박리된 2차원 물질과 기판 사이에 삽입된 물에 의한 마찰력 증가 현상에, 2차원 물질의 물리적 또는 전기적 특성이 미치는 영향이 적음을 알 수 있었다.
제4장에서는 기계적으로 박리된 이황화 몰리브덴과 몰리브덴 디텔루라이드(MoTe2)의 전이금속 디칼코겐 화합물에 대해, 상 변화에 따라 변하는 나노 마찰학적 성질에 대해 연구하였다. 이를 통해, 이황화 몰리브덴과 몰리브덴 디텔루라이드는 삼각주형 구조를 가지는 반도체인 2H 상에 비해, 팔면체형 구조를 가지며 금속성인 1T’상의 나노 수준 마찰력이 5배에서 10배 가량 높다는 것을 알 수 있었다. 또한 밀도 범함수 이론 계산을 통해 이와 같은 현상의 이유를 기판과의 포논 상태 밀도 겹침과, 최소 에너지 주사 경로의 퍼텐셜 에너지 장벽 차이의 2가지 이유로 설명할 수 있었다.
본 학위논문에 기술한 연구들은 여러 분야에서 사용되며 학계의 지대한 관심을 받고 있는 2차원 물질인 이황화 몰리브덴 대해 단층 수준의 두께에서 일어나는 현상들을 정확히 실험적으로 비교하고 원인을 규명하였다. 또한 이와 같은 현상들이 다른 2차원 물질에도 비슷한 경향을 가지며 적용될 수 있다는 사실을 증명함으로써, 이황화 몰리브덴, 나아가서는 2차원 물질 전반에 대한 귀중한 정보와 활용성을 제공할 것으로 기대된다.
