한국결정성장학회지 (Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology)

  • 제33권6호
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  • Pages.255-260
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  • 2023
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  • 1225-1429(pISSN)
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  • 2234-5078(eISSN)
한국결정성장학회 (The Korea Association of Crystal Growth)
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폭발물 감지 시스템 개발을 위한 TNT 분자 흡착에 대한 WSe2 소자의 전기적 반응 특성 평가

Electrical response of tungsten diselenide to the adsorption of trinitrotoluene molecules

  • 김찬휘 (한국산업기술시험원 항공국방신뢰성센터) ;
  • 조수연 (경상국립대학교 나노신소재공학부) ;
  • 김형태 (경상국립대학교 나노신소재융합공학과) ;
  • 이원주 (한국산업기술시험원 항공국방신뢰성센터) ;
  • 박준홍 (경상국립대학교 나노신소재공학부)
  • Chan Hwi Kim (Aerospace and Defence Reliability Center, Korea Testing Laboratory) ;
  • Suyeon Cho (School of Materials Science and Engineering, Gyeongsang National University) ;
  • Hyeongtae Kim (Department of Materials Engineering and Convergence Technology, Gyeongsang National University) ;
  • Won Joo Lee (Aerospace and Defence Reliability Center, Korea Testing Laboratory) ;
  • Jun Hong Park (School of Materials Science and Engineering, Gyeongsang National University)
  • 투고 : 2023.10.23
  • 심사 : 2023.11.10
  • 발행 : 2023.12.31
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초록

분자 단위의 폭발물질을 탐지하기 위하여, 고감도 응답성 센서의 개발이 요구되고 있다. 2차원 반도체는 얇은 적층형 구조를 가져 전하 캐리어가 축적될 수 있어, 전하 캐리어의 급격한 신호 변조 특성을 기대할 수 있다. WSe2 반도체 소재의 TNT(Trinitrotoluene) 폭발물질에 대한 탐지 효용성을 연구하기 위해, CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정을 이용해 WSe2 박막을 합성하여 FET(Field Effect Transistors)을 제작하였다. 라만 분석과 FT-IR(Fourier-transform infrared) 분광 결과는 TNT 분자의 흡착과 WSe2 결정질의 구조적 전이 분석 정보를 나타내었다. 또한, WSe2 표면의 TNT 분자 흡착 전후의 전기적 특성을 비교하였다. TNT 도포 전, WSe2 FET에 백 게이트 바이어스로 -50 V를 인가함에 따라 0.02 μA의 최대 전류 값이 관측되었고, 0.6%(w/v) TNT 용액을 도포하였을 때 Drain 전류는 p-type 거동을 보이면서 0.41 μA의 최대 전류 값을 기록하였다. 이후 On/Of f Ratio 및 캐리어 이동도, 히스테리시스를 추가적으로 평가하였다. 본 연구에서는 WSe2의 TNT 분자에 대한 고감도와 신속한 응답성을 통해 폭발물질 탐지 센서 소재로서의 가능성을 제시하였다.

As demanding the detection of explosive molecules, it is required to develop rapidly and precisely responsive sensors with ultra-high sensitivity. Since two-dimensional semiconductors have an atomically thin body nature where mobile carriers accumulate, the abrupt modulation carrier in the thin body channel can be expected. To investigate the effectiveness of WSe2 semiconductor materials as a detection material for TNT (Trinitrotoluene) explosives, WSe2 was synthesized using thermal chemical vapor deposition, and afterward, WSe2 FETs (Field Effect Transistors) were fabricated using standard photo-lithograph processes. Raman Spectrum and FT-IR (Fourier-transform infrared) spectroscopy reveal that the adsorption of TNT molecules induces the structural transition of WSe2 crystalline. The electrical properties before and after adsorption of TNT molecules on the WSe2 surface were compared; as -50 V was applied as the back gate bias, 0.02 μA was recorded in the bare state, and the drain current increased to 0.41 μA with a dropping 0.6% (w/v) TNT while maintaining the p-type behavior. Afterward, the electrical characteristics were additionally evaluated by comparing the carrier mobility, hysteresis, and on/off ratio. Consequently, the present report provides the milestone for developing ultra-sensitive sensors with rapid response and high precision.

키워드

과제정보

본 연구는 경상국립대학교 나노신소재공학부 세라믹공학과 생체모방반도체 연구실과 한국산업기술시험원 항공국방신뢰성센터 교통보안팀의 물적·인적 지원이 있었으며, 항공보안장비 성능인증제 추진을 위한 시험인증기술개발(국토교통부, 1615013118) 연구사업을 기반으로 수행되었기에, 이에 감사드립니다. 본 결과물는 2023년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체대학 협력기반 지역혁신 사업(2021RIS-003) 및 3단계 산학연협력 선도대학 육성사업(LINC 3.0)의 결과입니다. 이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(2021R1C1C1012209).

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