Recently discovered ferromagnetic-monolayer CrI3 broadened our spectrum of possible applications for 2D materials. Using ab initio calculation with a linear combination of atomic orbital (LCAO) basis, we calculated that monolayer cri3 has minimum magnetic structure when it has ferromagnetic order and when strain applies, it favors Neel antiferromagnetic structure.

Negative Capacitance FET (NC-FET)는 ferroelectric 물질의 negative capacitance 특성을 이용한 steep-slope device로서 차세대 반도체 소자로 주목을 받고 있다. 또한 Strain engineering은 물질의 특성 향상을 위해 많이 이용되고 있고, 물질간의 접합과정에서 epitaxial하게 strain이 인가되는 경우가 많기 때문에, 이에 대한 연구는 중요하다. 이에 따라 본 논문에서는 ferroelectric 물질에 strain을 인가하여 물질의 특성 변화를 분석하였다. 이번 연구에서는 strain 효과를 고려하기 위해서 제1원리 기반의 DFT 계산을 진행하였고, 계산 결과를 바탕으로 NC-FET에 대하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 결과, compressive strain이 증가할수록 Polarization-Energy curve에서 negative capacitance region 부분의 curvature가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 특성 변화를 NC-FET에 적용했을 때, compressive strain이 증가할수록 subthreshold swing(SS)이 감소하는 것을 확인하였고 DIBL값 또한 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 이번 연구를 통해 ferroelectric 물질에 strain을 적절히 인가하면 ferroelectric 물질의 특성이 향상됨을 확인하였고, 이를 NC-FET에 적용해본 결과 더욱 더 향상된 성능의 steep-slope device 구현이 가능함을 확인하였다.

우리는 이차원 (2D) 화합물 반도체인 InSe에 uniaxial strain이 가해졌을 때 생기는 여러 가지 물성의 변화를 제일원리 계산을 이용해 연구하였다. InSe의 구조적 symmetry를 고려하여 compressive strain과 tensile strain을 가하였을 때 strain을 가하지 않은 구조가 가장 안정함을 알 수 있었다. Strain의 크기가 증가할수록 band gap은 감소하는 경향을 보였고, strain의 크기와 무관하게 valence band maximum에서 Se의 p orbital character가 유지됨을 확인하였다.

2차원 층상 구조를 이루는 반도체인 InSe의 단일층에 In과 같은 족에 속하는 Ga을 치환하여 밴드갭 엔지니어링 가능성을 탐색하였다. 이를 위해, 가능한 GaxIn1-xSe 구조들을 조사하여 제일원리계산을 통해 각각의 구조를 최적화하고 cohesive 에너지 비교를 통해 치환 비율에 따른 안정한 구조를 찾아 밴드 구조를 분석하였다. 그 결과, 2X2 supercell을 기준으로 가능한 20개의 defect 구조들의 cohesive energy 비교를 통해 각 치환 비율(x=0, 0,25, 0,375, 0.5, 0.625, 0.75, 0.875, 1)에서의 가장 안정된 구조를 찾을 수 있었고 enthalpy of mixing을 비교하여 In과 Ga이 InSe/GaSe로 분리되어 있을 때 보다 안정할 것을 예측하였다. 치환 비율에 따른 lattice constant는 Ga의 치환 비율이 높아질수록 거의 linear하게 감소하는 경향을 띄었으며 밴드갭은 아래로 볼록한 포물선 모양으로 InSe (2.26 eV), GaSe (2.48 eV) 사이에서 Ga0.25In0.75Se일 때 2.04 eV까지 작아지는 것을 확인하였다.

나는 수소가 흡착된 AlN, GaN, InN의 (101 ̅0) 표면에 형성된 1차원 댕글링 본드 와이어의 금속-절연체 전이를 제일원리 계산을 이용하여 연구하였다. 각 댕글링 본드 와이어는 파이얼스 왜곡 (Peierls distortion) 혹은 반강자성 (Antiferromagnetism) 을 겪으며 band-gap opening에 의한 전자의 에너지 획득이 일어났다. Al의 댕글링 본드 와이어는 강한 전자-전자 상호작용에 의해 스핀 밀도파 (Spin density wave) 상태를 갖는 반면, In의 댕글링 본드 와이어는 강한 전하-격자 상호작용에 의해 전하 밀도파(Charge density wave) 상태를 갖는다. Ga의 경우 반강자성과 파이얼스 불안정성이 강하게 경쟁한다. 이러한 물리적 현상이 일어나는 이유는 주양자수가 높아질수록 댕글링 본드 오비탈이 비국소화 되었기 때문이다.

기존의 연구동향을 고려하여 Silicene Monolayer와 bilayer의 수직방향 전기장 인가에 따른 100meV 이상 급의 밴드갭 특성을 연구했다. Monolayer 구조는 direct bandgap을 형성하며 MD계산의 경우 590 meV (5.1V/Å 인가)까지, single point 계산의 경우 1.25 eV (11.8V/Å 인가)까지 밴드갭이 형성되었다. Bilayer 구조 중 AB Stacking구조가 가장 안정하다는 것이 확인되었으며, 이 구조 하에서는 두 개의 간섭적인 디락콘이 형성되어 indirect band gap을 형성했다. Bilayer에서는 100meV 이상의 밴드갭을 형성할 수 없음을 확인했다. 결론적으로 Monolayer Silicene이 direct한 100 meV 이상 급의 밴드갭을 형성하여 recombination 확률이 높고, 열적 요동을 견딜 수 있어 광소자, 전자소자로서의 가능성을 보였다.

이 논문에서는 제일원리계산을 수행하여 VSe2 단일층의 전자 구조를 연구하였다. VSe2 단일층의 이론 격자 상수는 3.33Å, 단일층의 높이는 3.16Å로 계산되었다. VSe2 단일층은 0.60μB의 자기모멘트를 지니며, 이러한 자성에는 V 3d orbital이 주로 기여한다. 에너지 밴드 구조는 페르미 준위 근처에서 spin-up 밴드와 spin-down 밴드의 spin splitting이 0.43eV 정도로 나타나는 것을 확인하였다. 최종적으로 계산된 밴드 구조를 이용하여 Fermi surface를 구하고, Fermi surface nesting이 존재함을 확인하였다. 이는 1T-VSe2 단일층이 전하밀도파를 형성할 가능성이 높다는 것을 의미한다.

Graphene은 2004년 Geim, Novoselov에 의해 최초로 분리된 이후, zero bandgap의 dirac cone 모양의 band structure를 가지는 전기적 특성에 의해 주목받고 있는 물질이다. 하지만 Geim과 Novoslev의 분리법은 대량 생산에 문제점이 있어 새로운 공정들이 많이 개발되어 왔다. 특히, graphite를 산화시키고 이를 다시 환원시켜 단층의 reduced graphene oxide를 만드는 공정이 현재 각광받고 있다. 하지만 이 공법은 oxidation과 reduction을 반복하면서 oxygen과 carbon이 결합하는 defect가 생기는 단점이 존재한다. 이번 연구에서는 reduced graphene oxide에서 특징적으로 발생되는 Epoxy functional group 및 Hydroxy functional group defect가 graphene의 band structure에 어떠한 영향을 끼치는지 분석하였다. 연구 결과, 이 functional group defect들은 graphene의 zero band gap을 open시키는게 확인되었고, Epoxy group은 p-dopant로 작용하지 않는 반면 Hydroxy group은 p-dopant로 작용함을 확인하였다. 이러한 차이점은 두 group과 결합한 C 원자의 relaxation structure를 확인해 볼 때 다른 hybrid orbital을 가지기 때문으로 해석할 수 있다.

Ultra thin body Tunnel field-effect transistors (UTB TFETs) 의 channel 을 Si 를 사용하여 biaxial strain engineering 에 의한 소자의 성능을 비교, 분석하였다. 본 연구에서는 device 가 scaling 됨에 따라 매우 얇은 thickness 를 선택하고자 하였고, band gap 이 너무 커지지 않는 선에서 2 nm 를 시뮬레이션에 사용하였다. 먼저 compressive strain 을 인가했을 때 3% 까지는 소자의 성능 변화가 두드러지지 않았다. 반면에, Tensile strain 을 인가했을 때는 3% 일 때 no strain (0%) 과 비교하여 on current 가 5 배 가까이 증가함을 확인할 수 있었다. 기존에 연구되었던 compressive, tensile strain 외에도 asymmetric strain 에서는 3% 일 때 off current 가 증가함으로써 TFETs 본래의 장점인 low power application 으로써의 활용이 어려움을 파악하였다. 따라서 본 연구에서는 asymmetric strain effect 가 소자의 성능에 critical factor 로 작용할 수 있다는 것을 확인하였다.

We have investigated the performances of MXenes as catalysts and transistors. To evaluate the excellence of MXene-based-catalyst, free energies and exchange currents were compared. We found Ti3C2O2 is the best MXenes for HER, followed by Ti4C3O2. MXene transistors are modelled by DFT and transport simulation was proceeded by NEGF-Poisson self-consistent simulation in the mode space, under ballistic condition. MXene transistors were less sensitive to the scaling down of the devices, when compared by BP. Ti2CO2, Zr2CO2 and Hf2CO2 AD-6nm-nFETs show sub-threshold swing of 60 mV/dec while AD-6nm-BP exhibits 261 mV/dec because they have higher effective masses of electrons, meaning less direct-tunneling occurs under off-region. Among of them, Both 10-nm Zr2CO2 nFET and pFET exhibit isotropic transport with the on-state current over 2350 μA/μm, Channel capacitance over 7 μF/cm2 and swing under 68mV/dec, meeting all requirements of 2021 of ITRS-2017. We strongly suggest Zr2CO2 FET is the one of the promising candidate of future logic devices.

양자막대를 이용한 디스플레이 활용에서, Blue를 발광하는 CdZnS의 합성에서 ZnS의 road에 shell을 형성하기 위해서는 Oleamine (OAm) 리간들를 사용한다. 반면, Oleic Acid (OA) 리간드를 사용하면 shell의 합성이 잘 안되는데, 본 논문은 이러한 이유를 제 1원리 계산을 바탕으로 설명해 놓았다.

SIESTA를 이용하여 GaSe 단일층에서 금속원자(Ga)를 전이금속 원자(W)로 치환하였을 떄(Wga)의 구조 deformation, 에너지 안정성, 전자구조와 자성을 확인하였다. 그 결과, 구조가 바뀌면서 평면에 수직한 방향으로 구조 변형이 나타났고, Wga에서 W의 NN는 Se이 되었다. Clean surface만큼 Wga도 안정된 구조임을 알 수 있었다. Wga에서 W에 의한 defect states가 up, down 6개씩 split 되어 나타났으며, point에서 degenerated 경향을 보였다 또한 W에 의한 magnetic moment는 1인 것을 확인하였다. Defect states는 degenerated dyz, dzx orbital character, degenerated dxy, dx2-y2 orbital character, defect states는 dz2orbital character을 띠는 것으로 나뉘었고, 이에 따라 에너지가 함께 높아졌다.

알칼리 금속을 도핑한 BaSi2의 p-type 특성에 대하여 이해하기 위하여 density functional theory(DFT) 방법을 바탕으로 하는 결함 계산을 진행하였다. 우선 BaSi2의 Si, Ba vacancies에 대해 계산을 진행하여서 도핑을 하지 않았을 때의 특성에 대해 이해해 보았다. 다음으로 알칼리 금속을 도핑한 구조의 ptype 특성과 비교 분석을 진행하기 위해서 잘 알려진 p-type dopants인 Al, In, Ag을 치환형으로 도핑한 구조의 특성에 대해 분석해 보았다. 마지막으로 알칼리 금속을 도핑하였을 때의 p-type 특성에 대해 계산해 보았고, K을 도핑하였을 때 잘 알려진 p-type dopants보다 더 나은 p-type 특성을 가질 수 있음을 보였다.

포스포린에 대한 관심이 높아지면서 그 기계적 성질을 아는 것이 중요해졌다. 포스포린의 표면에 알칼리 금속 원자를 흡착시켰을 때, 그렇지 않았을 때보다 강성이 감소하는 것이 계산되었다. 또한 흡착된 원자의 절대적인 크기가 클수록 강성을 더욱 감소시킬 수 있음을 암시하는 결과가 발견되었다.

본 연구에서는 Ni2P에서의 물의 산화를 Density Functional Theory(DFT) 계산을 이용하여 그 메커니즘을 확인하였다. 기존의 Ni2P 각 면의 표면 에너지에 관한 연구를 바탕으로 하여 P termination 된 (0001)면을 선택하였고 흡착 에너지를 계산하여 표면에 hydroxide와 oxygen coverage를 결정하였다. 산소 생성 반응의 각 단계는 두 개의 site에서 계산되었고 두 site 모두 반응 결정 단계는 *OOH가 형성되는 단계였다. 과전압 값을 비교한 결과 center site가 더 선호됨을 확인하였고 Center site에서 pH=14 일 때의 과전압 값은 0.64 eV으로 계산되었다.

"Monolayer MoS2의 metastable phase인 T’ phase가 stable한 H phase보다 안정해지는 조건을 모색하기 위해 substitutional doping을 했을 때와 strain을 걸어주었을 때의 에너지 차이를 DFT 방법으로 계산하였다. Doping을 했을 때와 strain이 있을 때 T’ phase와 H phase의 에너지 차이가 감소함을 확인하였으나 H phase보다 T’ phase가 안정해지는 조건을 찾지는 못하였다. 하지만 이 방법을 기존의 alkali adsorption 방법과 병행하여 기존 방법의 단점을 보완할 수 있을 것을 기대해 볼 수 있다. 또한 전자구조 분석 중 얻은 dopant의 주기와 족에 따른 경향성은 다른 TMD 물질의 phase engineering을 design할 때 universal한 design rule로서 응용할 수 있음을 기대해 볼 수 있다."

본 논문에서는 다양한 원소 조합을 통한 다양한 특성과 2D 구조의 형성이 가능한 물질로서 최근 많은 응용에 활용되고 있는 TMD물질에 대하여 strain 엔지니어링 방법을 탐색하고자 하였다. 에디슨 나노물리의 LCAO 기반 DFT 전자구조계산 SW를 이용해 4, 5, 6족의 TMD물질(MX2, M = Zr, Nb, Mo; X = S, Se, Te)의 monolayer, bulk 상태에 strain을 가했을 때 전자 구조의 변화를 계산하였다. Band gap 크기, 전자의 effective mass의 변화, direct-indirect gap transition 등을 전이금속의 종류에 따라 분류하여 분석할 수 있었다.

이전까지 시도된 적이 없는 교차하게 쌓인 black phosphorus (BP) 구조에 대하여 전기적 특성을 분석하였다. 일반적인 BP에서와 같이 A-B stacking을 기반으로 한 구조가 A-A stacking을 기반으로 한 구조보다 약간 안정한 것이 확인되었으며 두 구조 모두에서 방향에 따른 anisotropy가 없어진 것을 확인하였다. Transmission은 기본적인 bilayer BP의 armchair direction에 비하여 낮게 나왔다. 결론적으로 anisotropy가 존재하지 않는 안정된 bilayer BP 구조를 찾는 것에 성공하였다.

MoS2 단분자층에 SiC 단분자층을 결합하여 헤테로 구조를 만들고 여기에 양축 스트레인을 가하여 분석하였다. 그 결과 1% 이상의 인장 스트레인이 가해질 경우 직접 밴드갭이 유도 되었으며 압축 스트레인에 비하여 인장 스트레인이 가해졌을 때 벤드갭의 변화가 컸다. 따라서 다음 헤테로 구조에 가해지는 인장 스트레인에 따라 변화되는 전자기적 특성은 광학 소자등의 다양한 분야에 활용할 수 있을 것이다.

이 논문에서는 2차원 화합물 반도체인 Indium Selenide monolayer의 효과적인 도펀트 원소를 탐색해보았다. 총 4가지 종류의 원소를 도핑시켜 계산을 했다. In 자리에 Mg과 Sn을 도핑시켜 각각 p-type과 n-type으로 만들고 Se 자리에 As과 Br을 도핑시켜 각각 p-type과 n-type으로 만들었다. 변화한 성질을 알아보기 위해 전자 구조를 분석하고 band structure와 DOS를 살펴보았다. P-type 같은 경우, Mg doped InSe는 shallow defect level이 생겨 좋은 반도체로 쓰일 수 있지만 As을 도핑한 InSe는 deep defect states가 생겼다. VBM에서 약 0.67 eV만큼 떨어져있는데 이 수치는 실험값과 비슷한 값이다. N-type 경우에는 Sn doped InSe는 deep defect states가 생겼고, CBM 아래로 약 0.08eV만큼 defect가 생긴 것이 실험값과 비슷하다. Br doped InSe는 Sn doped InSe보다 안정적인 n형 반도체가 될 수 있다.