▲ 부가 전하를 만드는 증착된 분자들을 가진 몰리브덴 이황화물(MoS₂) 박막 센서의 개략도.

그래핀의 발견으로 전자, 광학, 열 특성을 가진 2차원층 물질에 대한 관심이 높아지면서 최근에는 몰리브덴 이황화물(MoS₂)이 주목받고 있다.

단층과 수층 몰리브덴 이황화물 소자들은 전자, 광전자, 에너지 등 다양한 응용제품으로 개발되고 있으며 리버사이드 소재 캘리포니아 대학 연구팀은 이를 센서에 적용했다.

연구팀은 몰리브덴 이황화물로부터 원자적으로 얇은 가스와 화학 센서들을 만들었고, 뉴욕주 트로이에 위치한 렌셀러 공대 연구원들과 함께 실험했다. 소자들은 2차원 채널들을 가지며, 이 채널들은 높은 표면 대 부피비 때문에 센서 적용에 적합하고, 전자 농도를 쉽게 조절할 수 있다.

이 논문의 주저자인 UC 리버사이드 전자공학 교수인 알렉산더 발란딘 박사는 “스마트폰과 다른 휴대 전자 소자들에 포함된 센서들은 이미 많이 개발됐지만, 연구팀이 개발한 센서들은 작고, 얇으며, 고감도, 선택적이다” 라고 전했다.

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 설명했다.

선택적인 감지 능력 실험은 센서가 적어도 한 달 동안 안정된 작동해야하기 때문에 갓 제조된 소자와 의도적으로 노화된 소자들을 두 달간 비교했다.

일부 가스들에 노출 됐을 때 전자 흐름에 강한 억제를 초래하는 일부 물질들과 MoS₂의 원자단위 층으로 만들어진 센서는 전자 에너지 밴드갭 때문에 더 좋은 선택성을 나타냈다. 반면, 그래핀 소자들은 센싱 척도로 전류 변동을 사용했을 때 선택성을 나타냈다.

그래핀은 MoS₂가 에너지 밴드갭을 가지는 동안 매우 높은 전자 이동도를 가져 MoS₂ 센서와 그래핀 소자들은 상호 보완된다.

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 변화만을 이용한다.

조절 시스템과 센서들을 위한 많은 전자 소자들은 200℃ 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 제한돼 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.

한편 연구팀의 발견은 ‘몰리브덴 이황화물 박막 트랜지스를 가지는 선택적인 화학 기상 센싱: 그래핀 소자들과의 비교’라는 제목으로 Applied Physics Letters의 최근 논문에 게재됐다.