Performance Improvement of a Suspended CVD-Grown MoTe₂ Gas Sensor via Surface Treatment

Abstract

Thermal conductivity detector (TCD) gas sensors detect changes in surrounding gas compositions by monitoring variations in heat loss resulting from changes in the thermal conductivity of the gas. In this type of sensor, the resistance change rate caused by temperature variation is a key factor determining sensitivity, and a small thermal mass is essential for achieving fast response and high sensitivity. In this study, 2D MoTe₂, which is nanometers thick with an extremely low thermal mass while maintaining a high temperature coefficient of resistance (TCR), was selected as the sensing material. To improve resistance stability over time, reactive ion etching (RIE)-induced oxidation and atomic layer deposition (ALD) encapsulation were investigated. Meanwhile, a MEMS-based suspended trench structure was designed to minimize heat loss to the substrate, thereby enhancing thermal interaction with the surrounding gas and amplifying the temperature variation of the sensing material in response to changes in gas thermal conductivity. Finally, a TCD gas sensor employing RIE oxidized MoTe₂ demonstrated clear and repeatable responses to helium and nitrogen environments, verifying that surface-treated 2D MoTe₂ enables high sensitivity and long-term reliability in high-performance TCD gas sensors.|열전도도 검출기(TCD) 가스 센서는 주변 가스 조성의 변화를 가스의 열전도도 변화로 인한 센서의 열손실 변화를 모니터링하여 감지한다. 이때 센서의 온도 변화에 따른 저항 변화율은 민감도를 결정하는 핵심 요소이며, 빠른 응답과 높은 감도를 위해서는 센서가 작은 열용량을 가져야 한다. 본 연구에서는 나노미터 두께로 매우 얇아 작은 열용량을 가지면서도 높은 저항의 온도계수(TCR)를 유지하는 2D MoTe₂를 감지층으로 선정하고, 이 물질의 시간에 따른 저항 안정성을 개선하기 위해 반응성 이온 에칭(RIE) 산화 및 원자층 증착(ALD) 캡슐화를 실험하였다. 한편, MEMS 기반 현가형 트렌치 구조는 기판으로의 열 손실을 줄여 가스와의 열 상호작용을 강화하고, 가스 열전도도 변화에 따른 감지층의 온도 변화를 증폭시켰다. 최종적으로 RIE 산화 처리된 MoTe₂를 적용한 센서는 헬륨과 질소 환경에서 열전도도 차이에 따른 명확하고 반복 가능한 응답을 나타냈으며, 이를 통해 표면 처리된 2D MoTe₂가 고감도 및 장기 신뢰성을 갖춘 TCD 가스 센서로 활용될 수 있음을 입증하였다.