Among the promising methods for growing metastable materials, charge-mediated methods such as intercalation are primarily used to grow 2D metastable materials. Obtaining facile, simple, and non-damaging method to grow metastable 2D materials is still challenging. Here we report the first growth of high quality metastable Ge$_4$Se$_9$ in the form of 2D flakes using a facile kinetics-driven metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method under Se rich condition. Phase engineering between stable GeSe$_2$ and metastable Ge$_4$Se$_9$ was achieved through kinetic control by changing the growth temperature. The Ge$_4$Se$_9$ phase was clearly identified through complementary characterizations. In addition, mechanical measurements of Ge$_4$Se$_9$ confirmed ultra-low Young’s modulus of 2.69Gpa (in-plane) and 19.68 Gpa (out-of-plane), one of the lowest values reported to date. Furthermore, electrical measurements showed insulating properties of Ge$_4$Se$_9$ with 2.7eV wide bandgap, and the MoS$_2$/Ge$_4$Se$_9$ vertical heterostructure showed a large memory window of approximately 65 V within the gate range of 50 V while maintaining on/off ratio of 10$^4$ over 2000cycles. Synaptic function was emulated by potentiation and depression. Our first measure of mechanical and electrical properties of Ge$_4$Se$_9$ shows the great potential in the fields of flexible electronics, force sensing, nanomechanical system, memory and synaptic device.
준 안정한 물질을 성장시키는 유망한 방법 중에서 이온을 삽입하는 것과 같은 전하를 매개로 하는 방법은 2차원 준 안정한 물질을 성장하기 위해 주로 사용되는 방법이다. 하지만 이러한 매개체를 이용하는 방법 외에 간단하게 그리고 쉽게 2차원 준 안정 물질을 성장시키는 것은 여전히 어려운 문제이다. 이 논문에서는 셀레늄이 풍부한 조건하에서 역학을 기반으로 하는 유기금속 화학 기상 증착 방법을 사용하여 쉽게 준 안정한 2차원 조각 형태의 높은 결정성을 갖는 준 안정한 구셀렌화 사저마늄의 성장을 보고한다. 또한 성장 온도의 조절을 통한 역학적 현상의 제어를 통해 안정한 이셀렌화 저마늄과 준 안정한 사셀렌화 구저마늄간의 상 조절이 가능하였다. 구셀렌화 사저마늄의 상은 다양한 분석을 통해 확인되었다. 구셀렌화 사저마늄의 기계적 특성의 측정을 통해 면외 방향으로 2.69 Gpa, 면내 방향으로 19.68 Gpa의 매우 낮은 영률을 갖는 것을 확인하였으며 이는 현재까지 보고된 가장 낮은 값 중 하나이다. 또한 전기적 측정을 통해 2.7eV의 넓은 밴드갭을 갖는 구셀렌화 사저마늄의 절연 특성을 확인하였고 이러한 특성을 활용해 이황화 몰르브덴/구셀렌화 사저마늄의 이종 접합 구조 소자를 제작하였다. 해당 구조는 2000사이클 동안 10$^4$의 온/오프 비율을 유지하면서 50V의 게이트 전압 하에 약 65V의 큰 메모리 창을 나타냈다. 또한 반복적인 펄스를 통한 시냅스 기능의 모방을 통해 시냅스 소자로써의 가능성을 확인 가능하였다. 본 논문에서 구셀렌화 사저마늄의 기계적 및 전기적 특성에 대한 최초의 측정은 유연 소자, 힘 감지 센서, 나노 기계 시스템, 메모리 및 시냅스 소자 등의 다양한 분야에서 구셀렌화 사저마늄의 유망한 가능성을 보여 줄 것이다.
