특이하고 매력적인 전자, 광학, 열 특성을 가진 2차원층 물질인 그래핀의 최근 발견은 과학자들에게 원자적으로 특이한 특성을 가진 다른 얇은 물질들을 찾으려는 의지를 불어넣고 있다.

몰리브덴 이황화물(MoS2)은 가장 유망한 물질 중 하나라는 것이 최근 많은 실험들로 증명됐다. 그리고 현재 단층과 수층 몰리브덴 이황화물 소자들은 전자, 광전자, 에너지 응용들으로 개발되고 있다. 리버사이드 소재 캘리포니아 대학 공학자 연구팀은 또 다른 잠재적인 응용으로 센서를 개발했다.

스마트폰과 다른 휴대 전자 소자들에 포함된 센서들은 현재 도처에 있지만, 연구팀이 개발한 센서들은 많은 응용들을 위한 잠재력을 가지면서 작고, 얇으며, 고감도적이며, 선택적이라고 이 논문의 주저자인 UC 리버사이드 전자공학 교수인 알렉산더 발란딘 박사가 전했다.

연구팀은 몰리브덴 이황화물로부터 원자적으로 얇은 가스와 화학 기상 센서들을 만들었고, 뉴욕주 트로이에 위치한 렌셀러 공대 연구원들과 함께 테스트하였다. 소자들은 2차원 채널들을 가지며, 이 채널들은 높은 표면 대 부피비 때문에 센서 응용들을 위해 아주 좋고, 전자들의 농도를 크게 조절할 수 있다.

연구팀은 몰리브덴 이황화물 박막 전계 효과 트랜지스터(Thin-Film Field-Effect Tratnsistor; TF-FET)라 부르는 센서들이 선택적으로 에탄올, 아세토나이트릴(acetonitrile), 톨루엔, 클로로폼(chloroform), 메탄올 기체들을 감지할 수 있다고 설명하였다.

연구팀의 발견은 “몰리브덴 이황화물 박막 트랜지스를 가지는 선택적인 화학 기상 센싱: 그래핀 소자들과의 비교”라는 제목으로 Applied Physics Letters의 최근 논문에 게재되었다. 

선택적인 감지는 특정 기체들에 대해 표면의 이전 기능화를 요구하지 않는다. 테스트들은 제조된 소자들과 의도적으로 에이지드(aged)된 소자들에서 수행되었다. 연구에 사용된 몰리브덴 이황화물 센서들은 실제 응용들이 센서가 적어도 한 달 동안 안정되고 작동되기를 요구하기 때문에 2달간 에이지드되었다. 

원자적으로 MoS2의 얇은 층들로 만들어진 센서들은 이러한 물질들에서 전자 에너지 밴드갭에 의한 어떤 기체들에 대해 더 좋은 선택성을 나타냈다. 이러한 물질들은 몇 기체들에 노출에 따른 전류의 강한 억제를 초래하였다. 한편, 그래핀 소자들은 하나가 센싱 척도로서 현재 변동을 사용했을 때 선택성을 나타냈다. 

원자적으로 얇은 Mos2 층들로 시행된 센서들은 그래핀 소자들과 상호 보완된다. 그래핀은 MoS2가 에너지 밴드갭을 가지는 동안 매우 높은 전자 이동도를 가진다. 

UC 리버사이드에서 만들어진 그래핀과 MoS2 모두 원자적으로 얇은 가스 센서들의 특이성은 부가 센싱 신호로 낮은 주파수 전류 섭동들을 이용한다는 것이다. 일반적으로 이런 화학 센서들은 소자를 통한 전기 전류 변화나 소자 활성 채널의 저항 변화 만을 이용한다.

다른 논문에서, 같은 연구원들은 몰리브덴 이황화물 원자두께 박막 트랜지스터의 고온 작동을 시험했다. 이 결과는 High-temperature performance of MoS2 thin-film transistors: Direct current and pulse current-voltage characteristics라는 제목으로 Journal of Applied Physics지에 최근 게재되었다.

조절 시스템과 센서들을 위한 많은 전자 소자들은 200도씨 이상의 온도에서 작동할 필요가 있다. 고온 응용들의 예들에는 우주항공기 내 터빈 엔진 조절과 에너지 발전, 유전 장비들이 포함된다.

200도씨 이상의 온도에서 작동하는 트랜지스터와 회로들의 가용성은 제한되어 있다. 일반적인 반도체들인 실리콘 탄화물과 갈륨 질화물로 만들어진 소자들은 확장된 고온 작동을 보여주지만 대형 응용들을 위해 가격 효율적이지 않다. 그래서 고온에서 작동하는 전계 효과 트랜지스터를 만들기 위해 사용될 수 있는 새로운 물질 시스템들이 요구되고 있다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』