The increasing need for the development of high-performance flexible electronics and optoelectronics has driven the researchers to seek for 2D semiconductor material. Tungsten sulfide ($WS_2$) is a 2D semiconductor layered material with a direct bandgap of 1.9 eV. $WS_2$ has promising optical, electrochemical, and electronic properties with better stability. Besides, modulating the bandgap of $WS_2$, we can tune the electrical and optical properties of $WS_2$. However, synthesis of large size, thin layer $WS_2$ flakes, and their bandgap tuning has relatively less studied, despite its great importance.
Here we demonstrate an approach to synthesis in-situ oxidized $WS_2$ flake with high aspect ratio via oxidative intercalation using hydrate salt (Potassium Sodium Tartrate Tetrahydrate salt). By this method, we produced over 100-micrometer lateral size $WS_2$ flake, which is 50 times larger than the reported value of $WS_2$ flakes produced by liquid-exfoliation method. In addition to that, during exfoliation process, bandgap of $WS_2$ widened, due to the in-situ oxidation. Thermal in-situ oxidative intercalation replaces the sulfur atom by the oxygen atom and widens the bandgap from 1.9 eV to ~2.5 eV. This bandgap change of $WS_2$ flakes can be further modulated by additional oxidation and reduction processes. The results demonstrate the promising possibility of using the tungsten sulfide flakes in the wide range of applications such as a photodetector, solar cell, LED, smart windows and many others in future.
고성능 유연성 전자소자 및 광전자소자 개발에 대한 수요가 증가함에 따라 이를 위한 새로운 소재의 개발이 많은 관심을 끌고 있다. 이황화텅스텐은 안정적이면서 우수한 광학적, 전기화학적, 전기적 특성을 가짐으로써 고성능 전자소자에 적용될 수 있는 차세대 재료라고 할 수 있다. 또한, 이황화텅스텐은 밴드갭을 제어함으로써 전기적 광학적 특성 등을 조절할 수 있다는 장점을 갖는다. 하지만 이러한 좋은 특성들과 이황화텅스텐 제조 개발의 중요성에도 불구하고 밴드갭 조절 뿐 아니라 큰 크기와 얇은 층수를 갖는 이황화텅스텐 플레이크의 개발에 있어서 아직 연구가 많이 이루어지지 않은 실정이다. 그에 따라 수화물 염을 이용한 산화성 층간 삽입반응으로부터 고종횡비를 갖는 이산화텅스텐 플레이크의 제조 방법에 대하여 연구하였다. 수화물 염을 이용한 산화성 층간 삽입반응을 통해 제조된 이황화텅스텐 플레이크는 100 마이크로미터 이상의 크기를 가지며, 이는 지금까지 보고된 액상박리법으로 제조된 플레이크보다 50배 큰 크기를 나타낸다. 또한, 수화물 염을 이용하여 층간 삽입반응을 통해 이황화텅스텐을 박리하는 과정에서 동시에 산화반응이 일어나면서 이황화텅스텐의 밴드갭이 확장되며, 추가적인 산화와 환원 과정을 거치면 밴드갭을 더 조절할 수 있다. 이러한 결과는 고종횡비를 갖는 이황화텅스텐 플레이크 제조의 가능성을 제시하며, 이 방법으로 제조된 플레이크는 광감지기, 태양전지, 에너지저장장치 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
