본 논문은 직류송전에서 송전선에 문제가 발생했을 때 생기는 고장전류를 제거하는 회로인 DC Breaker의 성능을 향상시킨 회로에 대한 것이다. 기존의 DC Breaker는 차단효율이 좋지 않고, 차단시간 또한 길다는 단점들이 문제가 되었는데, 이를 중앙 인덕터를 통해, 고장전류의 크기를 감소시키고, 커패시터 스위칭을 통해 차단시간을 줄이는 등의 방법을 이용하여, 효율을 개선하였다. 그리고 이 개선된 DC Breaker가 DC 고전압 전력수송에 꼭 필요하다는 것을 실험을 통해 그 실용성을 검증하였다.

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.

본 연구에서는 위상적 Dirac nodal line 준금속으로 알려진 fcc 구조의 Ca과 hcp 구조의 Be에 대하여 LCPAO (Linear Combination of Pseudo Atomic Orbital) 방법을 이용하는 코드인 OpenMX를 통해 제일원리 전자 구조 계산을 수행하였다. 그 결과로 두 물질에서 밴드의 교차가 일어남을 확인하였으며, 준금속적인 성질이 있음을 확인하였다. 끝으로 EDISON의 사이언스 앱을 이용한 물질의 위상적 특성에 대한 연구의 가능성을 살펴보았다.

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.

Source와 Drain 부분에 도핑의 농도를 변화시킴으로써 MOSFET의 내부의 Total current의 변화의 경향성을 분석하였다. 이를 위해 Simple한 MOSFET 구조를 설계를 한 뒤 gate 부분에 전압을 주어 측정을 하였으며, 그 결과 Source, Drain의 도핑농도가 증가 될 수록 Total current의 변화하는 정도가 커짐을 알 수 있다.

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.

단층 MoS2와 단층 실리콘을 채널 물질로 사용한 TMD FET과 UTB FET의 소자 특성 분석 시뮬레이션을 진행하였다. TMD FET과 UTB FET의 채널과 oxide 두께를 변화시켜가며 각 각의 게이트 전압과 드레인 전류의 특성과 subthreshold swing 등을 분석하였으며, 채널과 oxide 두께가 얇을수록 단채널 효과가 줄어든다는 것을 알 수 있었다. 얇은 채널을 사용하는 트랜지스터의 최적 구동 조건은 채널과 oxide 층의 두께가 1 nm 정도 되어야 한다는 시뮬레이션 결과를 바탕으로 TMD FET과 UTB FET의 소자 특성을 상호 비교해 보았으며 TMD FET의 SS값이 더 좋다는 것을 확인할 수 있었다.

Drift-Diffusion 방법은 반도체 소자의 내에서의 전하 수송 방정식을 푸는 수치해석적인 방법 중에서 비교적 계산량이 적고, 이런 장점으로 인해 널리 쓰이는 방법이다. 이 방법을 이용하여 간단한 PN diode 구조에서의 전기장, 전압 분포, IV curve 등을 확인 하는 코드를 작성하고, 작성한 코드의 신뢰성 검증을 위하여 TCAD tool인 SDEVICE와 EDISON tool을 이용하여 비교해 본다.

"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.

Metal-oxide-semiconductor Field-Effect transistor (MOSFET)을 대체할 기술로서 제안된 Schottky Barrier MOSFET (SB-MOSFET)가 제시되고 있다. 본 연구에서는 SB-MOSFET와 MOSFET을 다양한 소자 파라미터를 변화시킴으로서 양자역학적 전하수송 계산을 바탕으로 특성을 분석한다. MOSFET과 SBMOSFET은 채널 두께 (TSi)가 감소함에 따라 전류량은 증가하고 SS와 DIBL은 증가하였고 Overlap에서는 SS와 DIBL이 커지고 Underlap에서는 작아짐을 보였고 SB-MOSFET는 특히 그 폭이 컸다. 또한 SB 높이가 낮을수록 SBMOSFET의 전류량이 증가하고 SS는 감소하였고 마찬가지로 Source와 Drain doping concentration이 낮을수록 MOSFET의 전류량은 증가하고 SS는 감소하였다. MOSFET과 SB-MOSFET의 경향은 대체로 비슷하나 변화량의 차이등이 있었다.

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.

Silicon 기반 Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)의 크기가 감소함에 따라 silicon자체의 물성적 한계가 나타나고 있다. 이를 극복하고자 III-V 화합물 반도체가 채널소자로서 각광받고 있다. 본 연구에서는 III-V 화합물반도체 중 InxGa1-xAs 는 Indium 조성에 따른 전자구조 및 n-type MOSFET의 소자 특성을 본다. Indium의 조성이 증가함에 따라 subband의 개수와 간격이 증가하게 되어 Density of state가 감소하게 된다. 이로 인하여 Indium의 조성이 증가함에 따라 InxGa1-xAs 채널 MOSFET에서 상대적으로 Fermi level을 더 많이 상승시키게 되어 potential barrier를 얇아지게 만들며 또한 에너지에 따른 전류 밀도를 넓게 분포하도록 만든다. 이로 인하여 단채널에서는 In 조성이 증가함에 따라 direct source-to-drain tunnelling current이 증가하게 된다. 이로 인하여 In 조성의 증가에 따라 subthreshold swing과 ON-state current가 저하된다.

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.

2차원 InSe 단일층에 존재할 수 있는 vacancy defect인 In vacancy, Se vacancy의 원자구조 및 전자구조 특성을 제일원리계산을 이용해 살펴보았다. InSe 5x5 supercell을 이용하였으며 total energy를 구해 어떤 구조가 가장 안정한지 찾았다. Relax된 결함 구조들을 clean InSe와 비교하여 어떤 변화가 있었는지 특징을 분석하였다. 이러한 intrinsic 결함들이 각각 어떤 구조로 relaxation되는지 살펴보고 clean InSe와 비교해보았다. 또한 각 결함구조의 density of states (DOS), projected density of states (PDOS)와 band structure를 clean InSe 와 비교해봄으로써 defect state가 어떻게 나타나는지를 찾아보았다.

This study investigated the effect of strain on hole mobility and hole effective mass in a p-channel rectangular nanowire with two-dimensional confinement. We obtained the valence energy band structure using the six-band k.p method and calculated the mobility and effective mass of the hole in the [100] direction taking the strain effect into account in the inversion region. The hole mobility of strained silicon was calculated using Kubo-Greenwood formalism. As a result, it showed good performance compared to relaxed silicon, but its magnitude was insignificant.

본 논문에서는 Edison simulation을 이용하여 2D TMD(Transition Metal Dichalcogenides)물질인 MoS2의 monolayer 구조에서 화학/물리적 특성 분석을 통해 대칭 구조인 2H-MoS2의 안정성과 1.8 eV의 direct bandgap을 추출하여 전자재료로서의 가치를 확인하였다. 또한 Edison TMD FET 소자 특성 simulation을 이용하여 2H-MoS2 결정 면의 이방성으로 인한 소자 성능의 변화를 확인 하였고, 최적의 결정 면에서 최적화된 소자를 설계하여 29.6% 개선된 Ion/Ioff 값과 32.6% 개선된 mobility 값을 추출하였다.