Chemoresistive gas sensing properties of functionalized two-dimensional materials

Abstract

사물과 연결된 모든 사용자 및 기기와 정보교환을 가능케 하는 사물인터넷 기술의 발달에 따라 기기의 내·외부 정보를 교환하는 스마트센서가 가장 중요한 기술로 고려되고 있다. 특히, 가스 센서는 특정 가스의 존재 및 농도를 검지 할 수 있고 인간의 생활, 안전, 건강, 환경, 에너지 절약에 달하는 수많은 영역에 적용 가능하므로 매우 큰 관심을 불러일으키고 있다. 사물인터넷 혹은 차세대 기기에 적용하려면 가스 센서는 저 소비전력, 저가격, 소형화, 현존 기술과의 접목이 쉬워야 하는 점 등 까다로운 요구사항을 전부 만족시켜야 한다. 오늘날까지 반도체성 금속산화물은 대량생산, 소형화, 저가격, 고온 에서의 높은 가스 반응성 등 여러 장점 덕분에 가스감지물질로 가장 많이 사용되어왔다. 하지만 여전히 낮은 선택성, 고 소비전력, 복잡한 합성 방법 등의 주요 문제점 및 거론된 사물인터넷의 요구사항을 해결하지 못한 채, 대체 가능한 가스 감지물질을 탐색하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 대안으로 제시되는 물질 중 대표적으로 그래핀, 전이금속 다이칼코게나이드, 금속산화물 나노시트 같은 2차원 물질들이 가장 많은 관심을 받고 있다. 2차원 물질들은 유연성, 높은 비표면적, 많은 활성 사이트, 우수한 상온 가스감지 특성 등 독특하고 우수한 장점들로 인해 금속산화물을 대체하고 미래 기술에 적용 가능하다는 평가를 받는다. 표면 기능화와 귀금속 표면장식을 통해 2차원 물질 고유 성질의 단점을 개선 및 해결하고, 장점은 극대화할 수 있기 때문에 차세대 가스감지물질로 주목을 받고 있다. 또한 상온 가스감지 특성을 보이며 저가격 대량생산 및 소형화가 쉽고, 기존 기술에 적용하기 쉬운 점 등 실제기기 적용의 요구사항을 만족한다. 하지만 2차원 물질도 낮은 선택성, 긴 반응시간 및 회복시간, 비가역적 가스감지 특성과 같은 반드시 극복해야 할 약점들을 가지고 있다. 그러므로, 본 논문은 1) 화학적 합성 방법 중 하나인 수열합성 방법과 2) ultra-sonication을 이용해 물리적으로 합성한 rGO/MoS2 반데르발스 복합체, 3)귀금속이 표면 장식된 MoS2, 위의 세가지 샘플로 준비된 화학저항식 가스센서의 감지 특성을 제시하며, 간단한 공정 과정을 통해 저렴한 가격으로 합성을 진행하고, 표면 기능화를 통해 선택성이 낮은 문제 등을 해결했다. 첫 번째로, 간단한 수열합성 방법을 통해 rGO/MoS2 복합체를 합성하였다. 합성한 물질을 포토리쏘그래피 공정을 통해 제작된 IDE 위에 drop-casting 하여 가스 감지 특성을 확인하였다. rGO/MoS2 복합체를 기반으로 한 센서는 상온에서 습도에 대해 고 감도, 고 선택성, 가역적 감지 반응을 보였다. 이론적 감지 한계는 약 0.01783% RH 수준으로 계산됐다. 두 번째로, 물리적으로 합성한 rGO/MoS2 반데르발스 복합체의 습도 감지 특성을 확인하였다. rGO/MoS2 습도센서는 기타 가스보다 습도에 향상된 반응성, 선택성, 가역성을 보여주었으며, 계산적 상온 감지 한계는 0.0109% RH 정도로 매우 민감했다. 이 센서는 휘어진 형태에서도 안정적인 구동을 보여줄 뿐만 아니라, 장기간이 지난 이후에도 구동이 되는 것이 검증되었다. 이러한 우수한 특성과 손쉬운 제조공정을 이용하여 합성된 rGO/MoS2 반데르발스 복합체는 사물인터넷 및 웨어러블 전자기기 등 차세대 기술에 실제 적용 잠재성을 넓혔다. 세 번째로, MoS2의 표면에 용액공정방법을 이용해 귀금속 나노입자를 장식하고 이를 기반으로 한 가스 감지 특성을 분석하였다. 본 실험에서는 Pd, Au, 그리고 Pt를 MoS2 표면에 합성하였으며, MoS2의 선택성을 향상시켜 2x2 어레이를 구현하였다. 매우 간단한 제조 공정과 우수한 가스 감지 특성을 기반으로 차세대 가스 감지 물질로써 2차원 MoS2 잠재성이 높음을 확인할 수 있는 연구이다.

With the development of the Internet of things (IoT) technology that enables information exchange with all users and devices connected to things, smart sensors that exchange information inside and outside the device are becoming the most important technologies. In particular, the gas sensor is of great interest because it can detect the presence and concentration of a gas and can be applied to a number of areas such as human life, safety, health, and environment monitoring. To be applied to the Internet of Things or next-generation devices, gas sensors must meet all the demanding requirements of low power consumption, low cost, miniaturization, and easy integration with existing technologies. To date, semiconducting metal oxides have been used most often as gas sensing materials due to several advantages such as mass production, miniaturization, low cost, and high gas reactivity at high temperatures. However, there is still a lot of efforts in search of alternative gas sensing materials without solving the main problems such as high-power consumption, use of external heater, weak long-term stability, low humidity durability, and the requirements of the Internet of Things. Among the materials proposed as alternatives, two-dimensional (2D) materials such as graphene, transition metal dichalcogenide, and metal oxide nanosheets are receiving great attention. 2D materials are evaluated for their ability to replace metal oxides and be applied to future technologies because of their unique and superior advantages, such as flexibility, high specific surface area, many active sites and good room temperature gas sensing properties. It is attracting attention as the next generation gas sensing material because it can improve and solve the disadvantages of the unique properties of 2D materials through surface functionalization, noble metal decoration, and understanding of the sensing mechanism, and maximize the advantages. In addition, it satisfies the requirements of actual equipment application such as low temperature gas detection, low cost, mass production and miniaturization, and easy to apply to existing technology. However, two-dimensional materials also have disadvantages that must be overcome, such as low selectivity, long response and recovery times, and irreversible gas detection properties. Therefore, this paper is based on a reduced graphene oxide (rGO)/Molybdenum disulfides (MoS2) hybrid composite-based humidity sensor manufactured using 1) chemical fabrication such as hydrothermal methods and 2) mechanical fabrication method. Finally, 3) noble metal decorated MoS2 based gas sensor array are introduced. The detection characteristics of a resistive gas sensor are presented, which solves the problem of power consumption, and low selectivity. First of all, rGO/MoS2 composites were synthesized by a simple hydrothermal synthesis method. The gas-sensing properties were confirmed by drop-casting the synthesized material on the interdigitated electrodes manufactured through the photolithography process. Sensors based on the rGO/MoS2 composites showed high sensitivity, selectivity, and reversible sensing response to relative humidity (RH) at room temperature. The theoretical detection limit was calculated to be about 0.01783% RH level. This sensor not only shows stable operation even in a curved form, but also expands the potential for practical application to next-generation technologies such as the Internet of Things and wearable electronics based on an easy manufacturing process. Secondly, the room temperature and humidity sensing characteristics of the rGO/MoS2 van der Waals composites were confirmed by a simple solution process. Sensors based on the rGO/MoS2 van der Waals composites showed improved response, selectivity, and reversibility to RH over other gases, and the computational room temperature detection limit was very sensitive, 0.0109% RH. This sensor not only shows stable operation even in a bent flexible device but has also been proven to operate as it is after a long period of more than a year. The excellent humidity sensing characteristics, long-term stability and flexible device applications extend the applicability of the actual gas sensor to the rGO/MoS2 van der Waals composites. Thirdly, the noble metal was decorated on the surface of the MoS2 prepared by using a solution process, and the gas sensing properties were measured. In this study, Pd, Au, and Pt were synthesized on the surface of MoS2, and compared to the case of using pristine MoS2, the selectivity was improved. Based on a very simple manufacturing process and excellent gas sensing characteristics, it is possible to confirm the potential of two-dimensional MoS2 as the next generation gas sensing material.