Recently, transition metals dichalcogenide materials (TMDCs) attracted considerable attention of scientific community due to intrinsic band gap, which first member of 2D family (i.e. graphene) lack. $MoS_2$ has been investigated widely among TMDCs, due to its stability as isolat-ed monolayer and indirect to direct band gap transition. Moreover, transition metal oxides has also been extensively studied for their promising facets in application of catalysis and solar cell applications. Many researchers are trying to oxidize $MoS_2$ into its corresponding oxidize. How-ever, understanding growth and oxidation mechanism, which is compulsory for large scale syn-thesis of $MoS_2$ and it oxides, is largely overlooked. Using first principles calculations based on density functional theory, we presented the insight study of $MoS_2$ growth and oxidation mech-anism in this thesis paper. This paper has two sections, first part will explain the science behind the different types of $MoS_2$ growth using organic ligand as precursor, whereas the second part includes fundamental insights into oxidation mechanism at edges and bulk region of single and multi-layer $MoS_2$. First, we calculated the energetics and stable geometry of precursor with S and Mo in vacuum as well as on $SiO_2$ substrate. We found energetically most favorable configu-ration of precursor on substrate, which was the result of mixture of solvents used in the syn-thesis process, will provide strong bases for homogenous single layer growth. Second, using energetically most promising $MoS_2$ nano-ribbon, we investigated the oxidation mechanism at edges as well as bulk region. Regardless to the number of layers in the system, edges are al-ways preferred to oxidized first, moreover kinetically restricted motion of oxygen atoms to the interstitial sulfur atoms will results in the top atom oxidation first. Once the top layer sulfur atoms oxidized, bending of ribbon has been observed which uncovers the bottom sulfur atoms for complete oxidization into $MoO_x$. The findings presented in this paper will help in better un-derstanding of growth and oxidation mechanism of transition metal dichalcogenide especially $MoS_2$.
대표적인 2차원 소재로 대두되었던 그래핀의 한계인 밴드갭 문제를 해결할 수 있는 가능성 때문에 전이금속 칼코겐 (transistion metals dichalcogenide, TMDCs) 소재가 최근 학계의 큰 관심을 받고 있다. 많은 TMDCs 소재 중에서 단일 층의 구조적 안정성과 직접 천이형 밴드갭 (di-rect band gap) 때문에 $MoS_2$에 대한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 한편, 전이 금속 산화물(transision metal oxides)은 촉매, 태양전지 등으로의 응용에 매우 전망 있는 소재로 광범위하게 연구되고 있으며, 이에 많은 연구자들은 $MoS_2$를 산화시켜 전이금속 산화물로 만드려는 노력을 기울이고 있다. 그러나 아직까지는 대규모 합성을 위해서 필수적인 $MoS_2$의 성장 및 산화 원리의 이해가 매우 부족한 상황이다. 이번 학위 논문에서는 밀도 범함수 이론에 기초한 제일 원리 계산을 통하여 $MoS_2$의 성장 및 산화 원리에 대해서 논하였다.
이번 학위논문에서는 두 부분으로 나누어, 첫번째 부분은 유기물 리간드를 전구 물질로 사용한 $MoS_2$ 성장의 원리에 대해 설명하였으며, 두번째 부분은 단일 층과 다층 구조 $MoS_2$의 모서리 및 부피 지역에서의 산화 원리에 대한 기본적인 이해를 포함하고 있다. 먼저, 진공 및 $SiO_2$ 기판에서 몰리브데넘 및 황 원자를 수반한 전구 물질의 에너지적으로 안정한 구조를 계산하여 가장 선호되는 배열을 찾았으며, 이는 균일한 단일층 성장 원리를 이해하기 위한 가장 중요한 기반이 된다. 다음으로 에너지적으로 안정한 $MoS_2$ 나노리본 구조를 사용하여 모서리와 부피 지역에서의 산화 원리에 대한 연구를 진행하였다. $MoS_2$ 나노리본 구조의 층수에 관계 없이 항상 모서리에서 산화가 먼저 일어나고 산소 원자의 움직임이 황 원자의 침입형 자리로 제한되기 때문에 부피 지역의 꼭대기 원자가 먼저 산화된다. 또한 나노리본의 한쪽 면으로 비대칭적인 산화가 이루어지기 때문에 구조가 휘어지는 현상을 보이고 이는 다층구조의 산화 원리에 중요한 역할을 해준다. 이러한 발견은 전이금속 칼코겐 소재의 성장과 산화 원리의 이해를 돕는 귀감이 될 것이다.
